Система отопления с естественной и принудительной циркуляцией

Водяные отопительные системы по принципу циркуляции теплоносителя можно разделить на два вида: 

• с естественной циркуляцией,
• с принудительной циркуляцией.

Ниже рассмотрено, в чем разница между данными видами отопительных систем, а также, какие есть достоинства и недостатки.

Отопительные системы с естественной циркуляцией теплоносителя

Плотность воды при различной температуре:

при 40⁰С — 992кг/м3

при 70⁰С — 978 кг/м3

при 95⁰С -962 кг/м3

Благодаря этому, при нагревании в котле, вода с меньшей плотностью поднимается вверх по главному стояку и поступает в разводящие трубопроводы, а из них в радиаторы, где отдавая тепло, вода остывает, становится тяжелее и через трубы обратной разводки, опускается вниз, в котел.

Цикл повторяется пока котел работает.

Как следствие, в системе присутствует циркуляционный напор, величина которого зависит от следующих факторов:

• разности температур нагретой и охлажденной воды (тут следует заметить, что для исключения падения температуры воды, главный стояк закрывают теплоизоляционным материалом, а обратные трубопроводы монтируют без утеплителя, чтобы вода охлаждалась)
• места расположения отопительных приборов относительно теплогенератора (чем выше расположены отопительные приборы над котлом, тем лучше будет прогреваться воздух в помещении)

Твердотопливный котел длительного горения — сутки на одной закладке дров!

Достоинства системы отопления с естественной циркуляцией:

• простота устройства и обслуживания
• отсутствие вибрации и шума
• достаточно длительный срок службы

Недостатки:

• медленное включение системы в действие
• повышение затрат в связи с использованием труб большего диаметра
• ограничение радиуса действия системы по горизонтали до 30 метров из-за небольшого циркуляционного давления
• возможность замерзания воды в трубопроводах, смонтированных в неотапливаемых помещениях

Отопительные системы с принудительной циркуляцией

В данных системах отопления движение теплоносителя обеспечивается за счет работы насоса. Отопительные системы с принудительной циркуляцией используются в многоэтажных коттеджах, наличие насоса позволяет увеличивать длину трубопровода, а также применять различные схемы отопительной системы.

При монтаже следует придерживаться следующего правила, насосы устанавливаются в трубопровод обратной линии, что исключает взаимодействие с горячей водой и увеличивая его срок службы.

Достоинства:

• независимость от температуры теплоносителя
• увеличение протяженность трубопровода
• возможность применение различных схемных решений при монтаже системы отопления
• возможность регулировка режима работы

Недостатки:

• зависимости от электричества
• расходы на насос и его эксплуатацию

Также рекомендуем ознакомиться со следующими материалами:

Как выбрать котел отопления?

Как рассчитать мощность системы отопления?

Как рассчитать объем системы отопления?

Система отопления с естественной циркуляцией: принцип работы

Система отопления с естественной циркуляцией теплоносителя (гравитационная система отопления) не имеет в своей конструкции циркуляционных насосов, а циркуляция теплоносителя осуществляется путем использования природных физических законов.  Ее большим плюсом есть то, что она является весьма долговечной и не требует для своего функционирования наличия дополнительных источников энергии и дорогостоящего оборудования. При правильном проектировании и качественно выполненном монтаже гравитационная система отопления может работать без капитального ремонта не менее 35-40 лет. Она характеризуется небольшой протяженностью трубопроводов (ограничен радиус действия по горизонтали до 30 м), низкие гидравлические напоры и потери давления.

Система отопления с естественной циркуляцией теплоносителя (гравитационная система отопления) была изобретена и запатентована в 1832 г. русским инженером-металлургом, членом-корреспондентом Российской академии наук П. Г. Соболевским.

Принципиальная схема гравитационной системы отопления состоит из теплогенератора (отопительного котла), подающего и обратного магистральных трубопроводов, расширительного бака, и отопительных приборов (радиаторов).

Нагретый в теплогенераторе теплоноситель поступает по подающему и горизонтальным трубопроводам в нагревательные приборы (радиаторы), где происходит отдача им части своего тепла, в свою очередь элементы радиатора передают тепло в помещение. Затем по обратке (обратному трубопроводу) теплоноситель возвращается в теплогенератор, где снова подогревается до требуемой температуры, и далее цикл повторяется.

Естественная циркуляция теплоносителя (воды) по замкнутой системе трубопроводов обусловлена изменением веса и плотности жидкости, при повышении и понижении температуры. При нагреве теплоносителя в теплогенераторе снижается его масса и плотность в подающем трубопроводе. В тоже время в обратном трубопроводе находится уже отдавший свое тепло более холодный теплоноситель, имеющий большую массу и плотность. В системе возникает давление под действием сил гравитации – горячий теплоноситель поднимается вверх по подающей магистрали и растекается по горизонтальным трубопроводам самотеком, замещая холодный теплоноситель, который также самотеком поступает обратно в теплогенератор (котел). Расширительный бак принимает в себя теплоноситель, объём которого увеличивается с повышением температуры, создаёт и поддерживает постоянное давление.

Гравитационное давление вызывает движение теплоносителя, однако оно также расходуется на преодоление сопротивлений в трубах. Сопротивления вызываются в основном трением теплоносителя о стенки труб, а всевозможные разветвления, угловые повороты, присутствующие в системе являются дополнительными источниками сопротивлений. При проектировании отопления одной из главных задач является свести к минимуму сопротивления в трубопроводе. Для снижения сопротивления применяются трубы с большим сечением, также немалое значение имеет материал из которого изготовлены трубы.

Важным условием, обеспечивающим естественную циркуляцию теплоносителя, является наличие уклона в горизонтальных магистралях трубопроводов в сторону движения воды – уклон от подающего стояка к радиаторам, и уклон обратной магистрали от радиаторов к отопительному котлу. Если уклон будет выполнен в другую сторону, от система работать не будет.

Уклон трубопровода должен составлять как минимум 0,005 м на 1 метр погонный трубы.

Помимо обеспечения циркуляции теплоносителя уклон в трубах позволяет эффективно бороться с «завоздушиванием» системы. Пузырьки воздуха, образующиеся в процессе нагрева теплоносителя в системе, устремляется вверх по трубам и поступают в расширительный бак, а затем, соответственно, удаляются в атмосферу.

Проектируя систему отопления, необходимое гравитационное давление (циркуляционный напор) следует обязательно просчитывать по специальной формуле. Оно зависит от разности высот расположения котла и самого нижнего радиатора – чем больше эта разница (h), тем больше давление. Увеличению циркуляционного напора способствует также увеличение угла наклона подающей магистрали трубопровода, направленной в сторону радиаторов, и уклон обратной магистрали, направленной к теплогенератору (котлу).
Уклон трубопровода должен составлять, как минимум 0,005 м на 1 метр погонный трубы.

Такая схема позволяет теплоносителю легче преодолеть местные сопротивления в трубах. Возникающий циркуляционный напор также напрямую зависит от высоты установки радиаторов. Выполняя проектирование и последующий монтаж системы отопления с естественной циркуляцией, котёл размещают в самой нижней точке так, чтобы все теплообменники (радиаторы) находились выше него.

Трубопроводы систем отопления по виду монтажа подразделяются на одно- и двухтрубные. (Не следует путать понятия «двухпоточная», «однотрубная», «двухтрубная»: первое характеризует направление потоков теплоносителя, «цикличность» их в системе, а два последних – только способы соединения трубопроводов с отопительными приборами при соблюдении цикличности).

принудительная циркуляция или термосифон? Какая из них лучше?

Солнечная энергия может стать наиболее эффективным возобновляемым источником энергии при использовании соответствующей технологии. Солнечная энергия, которую Земля получила всего за 1 час, может покрыть энергетические потребности всего населения в течение 1 года, поэтому солнечные водонагреватели являются легко доступными технологиями, которые могут эффективно и экономично заменить обычные водонагреватели. Могут возникнуть вопросы о том, что лучше, но не может быть общего лучшего типа распространения, так как иногда это будет зависеть от приложения, местоположения, доступности сайта и т. д.

Циркуляция – это процесс, посредством которого система перемещает рабочие жидкости из одной точки в другую по всей системе. Мы используем процессы циркуляции в приложениях гидромеханики. Существует два основных метода циркуляции жидкостей в системе; естественная циркуляция и принудительная циркуляция. Термосифон – это естественная циркуляция.

Как следует из названия, естественная циркуляция зависит от изменения плотности жидкости во время подвода тепла и изменения высоты для циркуляции рабочей жидкости по системе, в то время как в системах с принудительной циркуляцией для циркуляции жидкости используются электрические насосы, клапаны или контроллеры.

Принудительная циркуляция

Как упоминалось ранее, процессы принудительной циркуляции широко используются в гидромеханике, от производства электроэнергии до систем охлаждения. Вот некоторые из них:

• Котел с принудительной циркуляцией : Это котел, в котором внешняя мощность добавляется насосом для циркуляции воды (рабочей жидкости) вокруг котла. В котле нам необходимо добавить тепло к рабочему телу от источника тепла, чтобы превратить его в пар, приводящий в движение первичный двигатель. В котле с естественной циркуляцией изменения плотности приводят к движению воды, поскольку она нагревает воду, например, более горячие части воды и пара менее плотны и перемещаются в верхнюю часть топки. В то время как в системе с принудительной циркуляцией это движение жидкости осуществляется с помощью насоса, вместо того, чтобы ждать образования перепада давления. Котел с принудительной циркуляцией обычно полезен в тех областях, где нельзя использовать более крупные системы, а быстрое производство пара имеет первостепенное значение.
• Испаритель с принудительной циркуляцией : Мы используем циркуляционные испарители для разделения жидких смесей или концентрирования химических веществ с помощью теплообменников и устройств мгновенного разделения для превращения их в пар без кипячения и повторной рециркуляции растворителей до тех пор, пока не будет достигнута желаемая чистота. В системах с принудительной циркуляцией используются насосы для циркуляции жидкости по системе, особенно там, где требуется максимальная скорость циркуляции. Кроме того, с высокой скоростью циркуляции мы можем избежать многих проблем, связанных с циркуляционными испарителями, таких как; загрязнение, накипь и кристаллизация.
  Кроме того, из-за повышенной турбулентности, связанной с высокими скоростями, мы можем добиться повышенного коэффициента теплопередачи между жидкостью и источником тепла. Мы требуем, чтобы мы использовали испаритель с принудительной циркуляцией, где есть высокая степень рециркуляции.
• Системы охлаждения с принудительной циркуляцией : Системы охлаждения используются для снижения температуры тела за счет конвекции или теплопроводности путем пропускания охлаждающей жидкости для облегчения теплопередачи между телами. В системах охлаждения с принудительной циркуляцией обычно используется вентилятор или насос для увеличения скорости циркуляции. Таким образом, тело достигает более высокой скорости охлаждения.

Термосифонная система или циркуляция

Термосифонная система представляет собой метод пассивного теплообмена, используемый для циркуляции жидкостей и летучих газов в системах охлаждения и обогрева. Он работает на принципах естественной конвекции, используя естественную разницу плотности между горячими и холодными жидкостями, чтобы создать перепад давления для создания естественного движения жидкости.

Процесс использует тепловую энергию из внешнего источника, обычно в виде солнечной энергии, через фоторецепторы и использует ее для нагрева рабочей жидкости.

Когда мы нагреваем жидкость, плотность более теплой жидкости уменьшается, заставляя ее плавать поверх более холодной жидкости, создавая градиент давления, поскольку более холодная жидкость замещает ее внизу.

Некоторые области применения термосифонной циркуляции включают:

• Бытовые системы водяного отопления : Часто мы используем солнечный обогреватель. По мере того, как энергия фоторецепторов нагревает жидкости, плотность нагретой воды уменьшается, она поднимается и течет по трубопроводу для использования, в то время как более холодная вода заменяет ее на дне. Процесс продолжается до тех пор, пока температура воды не уравновесится с поступлением солнечной энергии.
• Системы охлаждения : Мы используем термосифонные системы в системах охлаждения для бытовых систем и электронных компонентов. Они используются для передачи тепла от горячих зон путем конвекции. Жидкость поглощает энергию из горячей области и поднимается к теплообменнику, где охлаждается, а более холодная жидкость заменяет ее внизу. Затем процесс продолжается до тех пор, пока не будет достигнута равновесная температура.

Сравнительный анализ

В зависимости от тепловой системы принудительная циркуляция и термосифон могут различаться по своим характеристикам. Система с принудительной циркуляцией потребует энергопотребления и, следовательно, не будет благоприятна в регионах, где энергопотребление является проблемой. Некоторые исследования показывают, что термосифонная система будет иметь более низкую эффективность по сравнению с принудительной циркуляцией. Однако принудительная циркуляция может иметь низкую эффективность из-за тепловых потерь через насос, используемый для направления движения жидкости.

Первоначальные исследования показывают разные результаты, хотя некоторые из них более специфичны для определенных тепловых систем, таких как солнечные нагреватели. Следовательно, некоторые определенные условия могут повлиять на конечный результат и заключение. КПД тепловой системы солнечного нагревателя с принудительной циркуляцией увеличился на 63% по сравнению с естественной циркуляцией (термосифон). Однако с изменением расположения коллектора температурная стратификация воды в водосборнике ухудшилась. Следовательно, тепловой КПД снижается. Хотя снижение было, но не уточняется, было ли оно ниже естественной циркуляции. Важно отметить, что на работу той или иной тепловой системы циркуляционного типа влияют различные факторы.

Заключение

И последнее замечание: в целом для тепловой системы не существует лучшего типа циркуляции. Однако с точки зрения особых ситуаций он может использовать либо принудительную циркуляцию, либо термосифон. Тем не менее, важно, чтобы какой бы тип циркуляции ни был в ваших предполагаемых тепловых системах, он соответствует этому сценарию. Помимо эффективности важными факторами являются безопасность и правила. Будь то водонагреватели, системы для бассейнов и спа, водяные насосы, водоподготовка или другие мои системы, они должны быть одобрены муниципалитетом Дубая и одобрены QCC. Кроме того, ISO 9Сертификат 001 обязателен. От Moosa-Daly вы получите лучшее из тепловых применений, как с принудительной циркуляцией, так и в зависимости от термосифона. Чтобы узнать о других продуктах, нажмите здесь, чтобы получить доступ к нашему полному портфолио.

Хаким Кагалвала – руководитель отдела развития бизнеса

Анализ переходных процессов солнечного водонагревателя с естественной циркуляцией и теплообменником

• Содха, М.С.
;
• Тивари, Г. Н.
;
• Шукла С. Н.

Аннотация

В данной статье представлен переходный анализ производительности системы солнечного водонагрева с естественной циркуляцией горячей воды между коллектором и изолированным накопительным баком. Предусмотрена подача горячей воды для бытовых/промышленных нужд через теплообменник, размещенный в накопительном баке. Явные выражения для средней температуры системы и температуры подачи воды, полученные в этой статье, проще и понятнее, чем полученные численно Tzafestas et al., (1974) методом конечных разностей, которые также определяют искусственный коэффициент теплопередачи. В этой статье дополнительно исследуется влияние длины теплообменника на производительность системы, и она может помочь разработчику правильно подобрать размер теплообменника. Выполнены численные расчеты для типичного холодного дня (26 января 1980 г.) в Дели для двух режимов отбора горячей воды: режима постоянного расхода и режима постоянной температуры подачи воды.

Публикация:

Энергетический журнал

Дата публикации:

Апрель 1983 г.