Как изменяется давление в системе отопления: прослеживаем процесс от этапа заполнения до циркуляции горячего теплоносителя

Непременным элементом любого комплекса отопительного оборудования являются манометры и предохранительный клапан, соответственно визуализирующие процесс изменения давления в системе отопления и предохраняющие от превышения им предельно допустимой величины.

Манометры служат для контроля данной величины, фиксации ее отклонений от номинальных значений. Снижение их на 0,02 МПа (0,2 ат) является сигналом для поиска утечек теплоносителя или проверки достаточности давления газа (воздуха) в расширительном бачке. Ввод системы в эксплуатацию предваряется обязательным этапом гидроиспытаний повышенным давлением, выявляющих места потенциальных утечек, подлежащих заблаговременному ремонту.

Какое давление показывает манометр?

Эта физическая величина характеризует степень сжатия среды, в нашем случае – жидкого теплоносителя, закачанного внутрь системы отопления. Измерить любую физическую величину означает сравнить ее с некоторым эталоном. Процесс измерения давления жидкого теплоносителя любым механическим манометром (вакуумметром, мановакуумметром) представляет сравнение его текущей величины в точке размещения прибора с атмосферным давлением, играющим роль эталона измерения.

Чувствительные элементы манометров (трубчатые пружины, мембраны, и др.) сами находятся под действием атмосферы. Наиболее распространенный пружинный манометр имеет чувствительный элемент, представляющий один виток трубчатой пружины (см. поз. рисунка ниже). Верхний конец трубки запаян и связан поводком 4 с зубчатым сектором 5, сцепленным с шестеренкой 3, на вал которой насажена стрелка 2.

Устройство пружинного манометра.

Исходное положение трубки-пружины 1, соответствующее нулю шкалы измерения, определяется деформацией формы пружины давлением атмосферного воздуха, заполняющего корпус манометра. Жидкость, поступающая внутрь трубки 1, стремится дополнительно деформировать ее, поднимая верхний запаянный конец выше на расстояние l, пропорциональное своему внутреннему давлению. Сдвиг конца трубки-пружины преобразуется передаточным механизмом в поворот стрелки.

Угол φ отклонения последней пропорционален разности полного давления жидкости в трубке-пружине 1 и местного атмосферного. Измеренное таким прибором давление называется манометрическим или избыточным. Точкой его отсчета является не абсолютный нуль величины, эквивалентный отсутствию воздуха вокруг трубки 1 (вакуум), а местное атмосферное давление.

Известны манометры, показывающие абсолютное (без вычета атмосферного) давление среды. Сложное устройство плюс высокая цена препятствуют широкому использованию таких приборов в системах отопления.

Величины давлений, указываемых в паспортах любых котлов, насосов, запорной (регулирующей) арматуры, трубопроводов являются именно манометрическими (избыточными). Измеряемая манометрами избыточная величина используется в гидравлических (тепловых) расчетах отопительных систем (оборудования).

Манометры в системе отопления.

Теплоноситель в статическом и динамическом состояниях

Теплоноситель любой системы отопления может находиться в двух состояниях:

• неподвижном (статическом), когда отсутствует нагрев в гравитационной системе (отсутствует естественная циркуляция) или выключен циркуляционный насос в системе с принудительной циркуляцией;
• подвижном (динамическом), вызываемом такими причинами:
  • естественной циркуляцией теплоносителя, побуждаемой градиентом давления вследствие неравномерности прогрева рабочей жидкости вдоль контура гравитационной системы отопления;
  • принудительной циркуляцией теплоносителя, побуждаемой циркуляционным насосом;
  • тепловым расширением теплоносителя, побуждающим его вытеснять воздух/газ из расширительных баков, занимая освободившиеся объемы.

Неподвижный теплоноситель оказывает на внутренние поверхности элементов системы только (гидро)статическое давление, изучаемое гидростатикой. Движущийся теплоноситель характеризуется (гидро)динамическим давлением, изучаемым гидродинамикой. Оно складывается из статической составляющей, затем части, определяемой тепловым расширением жидкости, наконец составляющей, создаваемой т.наз. скоростным напором движущейся жидкости. Далее, рассматривая движущийся нагретый теплоноситель, будем использовать термин рабочее (результирующее) давление.

Составляющие рабочего давления в системе отопления

Гидростатическая составляющая

Определяется конструкцией системы и не зависит от работы циркуляционного насоса. Известны два конструктивных типа систем:

• открытого типа;
• (герметично) закрытого типа.

Два основных конструктивных типа систем отопления.

Теплоноситель открытой системы имеет свободную поверхность внутри расширительного бака, установленного вверху системы для вывода воздушных пузырей. В любой точке такой системы действует статическое давление, равное весу столба жидкости над ней, плюс местное атмосферное давление. Показания манометра, установленного в нижней точке открытой системы, будут максимальными, вблизи свободной поверхности жидкости они будут почти нулевыми.

(Гидро)статическую составляющую удобно измерять в метрах водяного столба (м. вод. ст), учитывая, что столб воды высотой 10 м любого сечения/формы (независимо от числа/длины горизонтальных участков) создает давление на свое основание, равное 1 ат ≈1 бар.

Рассмотрим некоторую открытую систему отопления (теплоноситель неподвижен).

Статическое давление на разных уровнях.

Над верхним манометром расположен водяной столб высотой 6 м –5,5 м = 0,5 м. Показания прибора будут равны 0,05 ат. Над средним манометром одновременно расположены два столба воды. Первый высотой 6 м –2 м =4 м образован вертикальным двухтрубным стояком с радиаторами, второй – трубопроводом расширительного бака и самим баком, высота столба равна 7 м – 2 м = 5 м. Средний манометр покажет 0,5 ат. Над нижним манометром находится столб воды 7 м –0.7 м = 6,3 м. Его показания будут равны 0,63 ат.

Закрытая система оснащена герметичным расширительным бачком, имеющим две камеры (газовую, жидкостную), разделенные эластичной мембраной. Статическое давление неподвижной (установившийся режим) жидкости на мембрану должно уравновешиваться сопротивлением сжатию газа (сжатого воздуха, азота). Начальное статическое давление холодного теплоносителя закрытой системы, устанавливаемое при первоначальном заполнении, должно удовлетворять двум следующим требованиям:

• быть достаточно большим для предотвращения «завоздушивания» системы через элементы, периодически сообщающиеся с атмосферой: воздухоотводчики, предохранительные клапаны, сливные вентили и др.;
• не слишком превышать давление газа внутри мембранного бачка, чтобы заполняющий систему теплоноситель не занял весь его объем. Иначе не останется места, чтобы принять избыточный объем нагретой рабочей жидкости.

Ориентировочно статическое давление залитого холодного теплоносителя принимается равным 1,5-1,6 ат ≈ 1,5-1,6 бара, что соответствует нижней точке системы на «обратке» перед/после насоса (см.рис. ниже). Именно до такой степени сжат азот, закачиваемый в «фирменные» мембранные бачки заводами-изготовителями. Настроечное давления газа бачка следует устанавливать (подкачивая/стравливая газ) ниже гидростатического давления жидкости в месте установки на 0,1 ат≈0,1 бара, чтобы немного жидкости сразу зашло внутрь. Этот объем пригодится, если непрогретый теплоноситель подвергнется внезапному (ночному) охлаждению. Сжатие рабочей жидкости вследствие такого охлаждения при отсутствии теплоносителя внутри бачка неизбежно вызовет «завоздушивание» системы.

Типовое настроечное давление мембранного бачка (нижняя установка).

На выносных флажках показаны величины типовых статических давлений теплоносителя в характерных точках. Мембранный бачок может быть установлен вверху системы. Типовые статические давления теплоносителя, соответствующие верхней установке бачка, показаны на следующем рисунке.

Настроечное давление газа при верхней установке мембранного бачка.

(Гидро)динамическая составляющая

Движение теплоносителя является следствием работы циркуляционного насоса, создающего в любом замкнутом контуре системы отопления градиент (гидро)динамического давления, непрерывно снижающегося от выходного до входного патрубка насоса. Любой насос характеризуется создаваемым напором H, м. Физический смысл напора – приращение энергии жидкости после прохождения рабочей камеры насоса. Практически напор отождествляют с давлением, интерпретируя его как высоту обеспечиваемого насосом вертикального столба воды (измеряется в м. вод.ст).

Любой (сколь угодно малый) выделенный объем жидкости, ограниченный площадками, перпендикулярными направлению движения, со стороны, обращенной к выходному патрубку, оказывается сжатым сильнее, чем со стороны входного патрубка. Силы, создаваемые давлением на противоположные (по ходу контура) стороны объема, оказываются неуравновешенными, жидкость приходит в движение, описываемое уравнением Бернулли – основным уравнением гидродинамики.

Хотя внутри чувствительных элементов манометров жидкость неподвижна, динамическая составляющая добавляет к исходной статической некоторую величину, воспринимаемую приборами как увеличение (гидро)статического давления теплоносителя. Однако данное увеличение маскируется гораздо большей (1,2 – 2,2 бар/°С) составляющей, возникающей при тепловом расширении. Внутренний объем системы характеризуется распределением результирующего рабочего давления теплоносителя, создаваемого статической, динамической, тепловой составляющими.

Тепловая составляющая

Увеличение объема воды при нагревании на 100 °С равно 4 %. Вроде бы немного. Однако отсутствие свободного объема для размещения избытка жидкости вызывает (в абсолютно жесткой системе) рост давления около 3 ат/°С. Значит, нагрев ледяной воды до температуры кипения вызовет рост этой величины порядка 300 ат!

Реальные трубопроводы деформируются при нагреве теплоносителя. Они расширяются, предоставляя нагревающейся жидкости больший объем. Поэтому реальный рост давления оказывается несколько ниже:

• в стальных (медных) трубах – примерно 2, 2 ат/°С;
• в полиэтиленовых (полипропиленовых), металлопластиковых трубах – около 1,2 ат/°С.

Даже неспециалисту очевидна невозможность допускать подобный прирост, вызываемый тепловым расширением воды. Антифризы, кстати, имеют еще больший коэффициент теплового расширения. Избыточный объем горячего теплоносителя принимает внутрь себя мембранный расширительный бачок.

Принцип работы мембранного бачка.

Важно правильно выбирать емкость расширительного бака. Специалисты,занимаясь этим, оперируют довольно сложными формулами. Однако практика проектирования/эксплуатации закрытых систем отопления выработала следующее правило: емкость расширительного бака равна 10 % емкости системы.

Правильно выбранные емкость/место установки расширительного бака обеспечивают прирост давления теплоносителя (при максимальном нагреве) примерно 1-1,5 ат, что дает конечную величину 2,5-3 ат. Важно также настроить предохранительный клапан системы на величину, примерно равную (превышение максимум 10 % !) предельно допустимой для отопительного котла. Обычно она составляет около 3 ат.

Распределение по системе рабочего давления теплоносителя, показываемого манометрами, будет аналогично распределению гидростатической его составляющей: максимальные значения (заведомо большие гидростатических) будут внизу системы отопления, минимальные (также заведомо большие гидростатических) – вверху системы. Это обстоятельство следует учитывать, выбирая место установки расширительного бачка.

Превышение давлением теплоносителя предельной величины

Если процесс эксплуатации сопровождается частыми «подрывами» предохранительного клапана, следует проанализировать возможные причины происходящего:

• заниженная емкость расширительного бачка;
• завышенное настроечное давление газа/воздуха в бачке;
• неправильно выбрано место установки.

Наличие бачка емкостью от 10 % полной емкости системы отопления является практически стопроцентной гарантией исключения первой причины. Впрочем 10 % не являются минимально возможной емкостью. Грамотно спроектированная система может нормально работать и при меньшей величине. Однако определить достаточность емкости бачка сможет только специалист, владеющий методикой соответствующего расчета.

Вторая и третья причины тесно взаимосвязаны между собой. Предположим, что воздух/газ накачан до 1,5 бара, а место установки бачка выбрано вверху системы, где рабочее давление, допустим, всегда ниже 0,5 бара. Газ всегда будет занимать весь объем бачка, а расширяющийся теплоноситель останется снаружи. Внизу системы теплоноситель будет давить на трубы теплообменника котла особенно сильно. Регулярный «подрыв» предохранительного клапана будет обеспечен!

Снижение давления теплоносителя ниже нормы – следствие его утечки

Если значение величины, показываемое при отсутствии циркуляции, снизилось от 0,02 бара, причем давление газа в расширительном бачке нормальное, можно начинать искать утечки жидкости. Хорошо, если они визуально проявляются. Малозаметные мелкие утечки выявляют путем пневмоиспытаний системы. Закачав внутрь сжатый воздух, ожидают появления шипения (свиста) в местах разгерметизации. Обычно они наблюдаются в местах соединений трубопроводов с элементами арматуры и отопительными приборами.
Хорошей профилактикой появлению утечек теплоносителя является опрессовка системы. Так именуются гидроиспытания повышенным давлением. Для заполнения системы водой используется ручной насос, позволяющий плавно поднимать его величину. Подняв ее до определенного уровня, делают паузу на полчаса, контролируя показания манометра. Спад первоначального значения – явный признак утечки, которую вновь ищут визуально или на слух, проводя пневмоиспытания.

Технология проведения опрессовки.

Технологии проведения ремонтов систем отопления постоянно развиваются. Относительно недавно в России получил распространение метод устранения утечек в трубопроводных системах, включая отопительные, основанный на добавлении внутрь системы (посредством насоса) жидкого герметика. Растворяясь в объеме теплоносителя, герметик в местах утечек реагирует с воздухом, образуя прочный уплотняющий слой, ликвидируя любые течи за 1-7 дней (срок определяется размерами дефектов). 
Соотношение герметик/теплоноситель для продукта германской марки BCG равно 1:100. Поэтому ремонт системы емкостью 100-200 л обеспечит всего 1-2 л герметика.