Научная электронная библиотека

Монографии, изданные в издательстве Российской Академии Естествознания

КОМБИНИРОВАННЫЕ ТЕПЛОВЫЕ ГЕЛИОСИСТЕМЫ. Часть 3. Циркуляционные насосы для индивидуальных и децентрализованных систем отопления и горячего водоснабжения

Торопов А. Л.,

Введение

Для изучения конструкций циркуляционных насосов (ЦН) напомним несколько технических определений.

Технические характеристики ЦН:

– расход (подача, производительность) – измеряется в кубических метрах в час, в минуту, в секунду, объемная величина, равна максимальному объему воды, который может прокачать через себя насос за один час, минуту, секунду при отсутствии сопротивления трубопровода и других местных сопротивлений;

– напор – измеряется в метрах водного столба, равен максимальному значению гидравлических сопротивлений, которые способен преодолеть насос при нулевом расходе;

– напорно-расходная характеристика – графическое изображение зависимости расхода от напора насоса. Полностью характеризует конструктивные особенности насоса. У ЦН с постоянной скоростью количество напорно-расходных характеристик соответствует количеству скоростей. У насосов с переменной скоростью вращения (энергосберегающих), таких характеристик может быть несколько.

Системы отопления состоят из котла, трубопроводов с теплоносителем, отопительных проборов (радиаторов, конвекторов, системы «теплый пол» и других), расширительного бака для компенсации расширения теплоносителя при изменении его температуры, циркуляционного насоса. На рис. 1 представлены открытая и закрытая системы отопления.

Открытая система отопления. Циркуляция жидкости происходит под воздействием силы тяжести и разности плотности нагретой в котле и остывшей на радиаторах воды. Устаревшая система отопления, требующая больших диаметров трубопроводов, подлива воды в связи с ее испарением в открытом расширительном баке, трудно управляемая и низкоэффективная. В настоящее время практически не применяется.

Рис. 1. Открытая и закрытая системы отопления

Рис. 2. Система отопления радиаторы + «теплый пол»

Закрытая система отопления. Циркуляция жидкости происходит под действием циркуляционного насоса. Эффективная, управляемая система, позволяющая использовать любой теплоноситель. Не требует постоянного пополнения теплоносителя, возможна организация управления тепловой энергией каждого элемента отопления, способна работать с отопительными приборами с большими гидравлическими сопротивлениями. Быстро доставляет тепловую энергию от котла к отопительным приборам. Не требует больших диаметров трубопроводов.

Система напольного отопления «теплый пол». Комбинированная система. Циркуляция жидкости происходит под действием циркуляционного насоса. В качестве приборов отопления используется низкотемпературный теплообменник в виде трубы, расположенной в полу, уложенной в виде спиралей или меандра. Применяется, как основная система отопления в зонах с теплым климатом и как дополнительная система комфортного отопления для отдельных помещений в комбинации с основной радиаторной системой в зонах с более холодным климатом. На рис. 2 показана комбинированная система отопления с основной системой батарей отопления (ветка V2, краны 1,3) и дополнительная «теплый пол» (ветка V3, краны 2,4).

Циркуляционные и рециркуляционные насосы

Циркуляционный насос предназначен для принудительной циркуляции теплоносителя в системе отопления.

Преимущества при установке циркуляционного насоса в систему отопления:

– быстрый прогрев системы;

– повышение КПД системы отопления в целом;

– повышение управляемости системы отопления.

Рециркуляционный насос повышает комфорт в потреблении горячей воды в доме. Особенно это чувствуется в домах с площадью более 150 метров, где котел установлен в отдельном помещении (бойлерной) и имеется несколько точек разбора горячей воды. Горячая вода подготавливается в бойлере. Если не пользоваться водой некоторое время, она не движется в трубопроводах и остывает. При этом, если открыть кран горячей воды, то в течение некоторого времени из крана будет течь холодная вода. Для того, чтобы из крана текла сразу горячая вода, нужно организовать постоянную циркуляцию горячей воды по трубопроводу ГВС. Это делается с помощью замкнутого контура, движение воды в котором осуществляется рецеркуляционным насосом – специальным циркуляционным насосом малой производительности, малошумным с низким энергопотреблением.

Санитарный аспект целесообразности применения циркуляционных и рециркуляционных насосов. В трубах холодного водоснабжения температура всегда ниже 20 °С. В трубах горячего водоснабжения, если в них не установлена система рециркуляции, и если некоторое время не пользоваться горячей водой, то температура воды в трубопроводах и приборах ГВС может быть в диапазоне 60–20 °С, а это комфортная температура для размножения бактерий, в частности легионеллы. Большинство бактерий погибает при температурах более 60 °С, поэтому, в больших домах лучше поставить рециркуляционную систему подачи ГВС с температурой 60 °С, или разделять контуры циркуляции и подготовки горячей воды, используя технические устройства быстрого нагрева. Вопросы подбора состава и параметров элементов систем горячего водоснабжения являются отдельной темой, которые можно назвать «гигиеническим проектированием». Основы этого научного инженерного направления представлены в работе [3].

Классификация циркуляционных насосов

Циркуляционные насосы применяются в различных инженерных системах. По функциональному назначению ЦН предназначаются для систем:

– отопления и горячего водоснабжения;

– кондиционирования;

– фильтрации и подготовки питьевой воды;

– дозирования;

– помывки.

В большинстве случаев, отличие ЦН разных систем заключается в подборе примененных материалов и особенностями перекачиваемых жидкостей.

В настоящем учебном пособии рассматриваются ЦН для систем отопления и горячего водоснабжения.

Циркуляционные насосы работают постоянно. Часть электрической энергии превращается в тепло, обмотка статора электродвигателя нагревается и для предотвращения разрушения ее надо охлаждать. По способу охлаждения электромотора ЦН делятся на:

– центробежные насосы с водяным охлаждением электродвигателя;

– центробежные насосы с воздушным охлаждением электродвигателя.

В отопительных системах температура теплоносителя не превышает 80 °С. Обратная магистраль замкнутой системы отопления имеет температуру значительно ниже. Ее значение практически никогда не превышает 60 °С. Лакокрасочное покрытие провода обмотки статора электродвигателя выдерживает 150 °С, следовательно, можно использовать температуру контура отопления для охлаждения обмотки электродвигателя ЦН. Поскольку, в большинстве случаев, в качестве теплоносителя в системах отопления используется вода, то такая система называется «водяного охлаждения».

Если к ротору электромотора ЦН прикреплен вентилятор и охлаждение электромотора происходит под действием воздушного вентилятора, то такие насосы называются «воздушного охлаждения».

ЦН с воздушным охлаждением более шумные, чем насосы с водяным охлаждением.

По конструктивному исполнению ЦН делятся:

– линейные;

– блочные,

– консольные.

У линейных ЦН всасывающий и напорные патрубки находятся на одной оси и имеют одинаковый условный проход.

Насосы устанавливаются непосредственно на трубопровод системы отопления. Внешний вид линейных ЦН с воздушным и водяным охлаждением представлен на рис. 3.

Рис. 3. Линейные циркуляционные насосы с воздушным и водяным охлаждением

В консольных насосах моторы и насосы имеют самостоятельные узлы крепления и соединены между собой муфтами различного типа. Они имеют осевой вход и радиальный выход жидкости.

В блочных насосах крыльчатка установлена непосредственно на валу ротора мотора, насос и мотор выполнены в одном блоке, который имеет узлы крепления к основанию.

Конструкции консольных и блочных циркуляционных насосов представлены на рис. 4.

Рис. 4. Консольные и блочные циркуляционные насосы

По наличию контакта жидкости (теплоносителя) с ротором циркуляционные насосы делятся:

– с «сухим ротором»;

– с «мокрым ротором».

Ротор мотора с «сухим ротором» не контактирует с теплоносителем (водой) циркулирующей в системе отопления. Он отделен от рабочей жидкости торцевым уплотнение вала ротора. Охлаждение мотора происходит с помощью воздушного вентилятора, установленного на оси ротора.

У мотора с «мокрым ротором» и рабочее колесо насоса и ротор находятся в рабочей жидкости и отделены от статора тонкостенным кожухом не имеющим магнитных свойств. Вращающиеся элементы мотора не требуют смазки и охлаждения, поскольку это осуществляется рабочей жидкостью системы отопления.

По скорости вращения ротора ЦН делятся:

– односкоростные с постоянной скоростью вращения ротора;

– многоскоростные с постоянной скоростью вращения ротора;

– с переменной скоростью вращения ротора.

По виду электрического тока электромотора ЦН подразделяются:

– переменного тока;

– постоянного тока.

ЦН с электродвигателями переменного тока имеют наибольшее распространение. Это обусловлено историческими предпосылками и, прежде всего, тем, что в мировой индустрии применяются электрические сети именно переменного тока. В России принято централизованное электроснабжение переменным током с напряжением 220 В 50 Гц. В качестве электромоторов ЦН используются асинхронные электрические моторы переменного тока с фиксированной частотой вращения 3000, 1500, 1000 оборотов в минуту.

Последнее время все больше внимания уделяется вопросам энергосборежения и эффективности. В таких системах электродвигатели позволяют организовать вращение ротора с переменной скоростью, то есть у них есть возможность подстроиться под конкретные условия внешней среды, меняя расходно-напорные характеристики. Для этого применяются как электродвигатели переменного тока с частотным преобразователем, так и постоянного тока.

ЦН с электромоторами постоянного тока находят все большее применение в системах с использованием бесперебойного питания, гелиосистемах, энергоcберегающих технологиях, где изначально присутствует постоянный ток.

Классификация ЦН по уровню энергоэффективности [4, 5], представленная в табл. 1, базируется на значении индекса энергетической эффективности (EEI).

Для ЦН с постоянной скоростью вращения ротора мотора это классы не выше «D». Для ЦН с переменной скоростью вращения ротора, классы «A», «B», «С». Методика определения (EEI) представлена в [4, 5].

Таблица 1

Классы энергетической эффективности циркуляционных насосов

Для популяризации, наглядности и продвижения идей энергосбережения для населения во многих государствах установлено обязательное требование указания уровней энергосбережения на этикетках продаваемого оборудования. Внешний вид этикеток классов энергоэффективности циркуляционных насосов представлен на рис. 5. Разница в расходе электроэнергии между двумя соседними классами составляет 20 % от принятого за основу, класса «D», как наиболее массового в настоящий момент. К энергосберегающим классам относятся «А» и «В».

Рис. 5. Этикетка классов энергетической эффективности циркуляционных насосов [4]

Конструкции циркуляционных насосов, методы подбора их технических характеристик будут рассмотрены в последующих главах учебного пособия.