Проблема рационального потребления и распределения тепловой энергии системами отопления на сегодняшней день весьма актуальна, так как, при различных климатических условиях системы отопления жилых зданий являются наиболее энергоемкими из инженерных систем [10]. Подсчитано, что среднестатистический россиянин для обогрева своего жилища расходует почти втрое больше топлива, чем аналогичный европейский гражданин, включая и тех, которые проживают в климатической зоне не менее холодной, чем наша.
Причина в том, что в системах отопления при эксплуатации теплообменников, трубопроводов, котлов и другого оборудования, в результате осаждения продуктов коррозии и возникновения на рабочих поверхностях биологических, иловых и солевых образований, возникает проблема ухудшение процесса теплообмена и как результат, значительное снижение эффективности работы оборудования. Зарастание систем отопления отложениями приводит к падению температуры в радиаторах и, соответственно, в помещениях, что приводит к увеличению энергозатрат.
Проведенный анализ отложений показывает, что их основу составляет накипь, преимущественно сформированная структурами кристаллов карбоната кальция (CaCO3).
Образование накипи приводит к ряду серьезных последствий, усложняющих эксплуатацию систем отопления, вызывает значительные термомеханические напряжения в системе. Образование накипи ведёт к «зарастанию» трубопроводов, в результате чего падает расход на участках трубопровода, что влечёт за собой снижение теплоотдачи отопительных приборов до величин, при которых невозможно обеспечивать оптимальные параметры микроклимата при расчётных температурах на улице. Используя гидравлический расчёт систем отопления методом характеристик сопротивления, удалось определить зависимость снижения расхода теплоносителя от величины зарастания внутреннего диаметра трубопровода.
Определено, что в двухтрубной системе отопления при равномерном уменьшении диаметра трубопровода на 1 мм, расход в системе отопления снижается на 10%, при уменьшении внутреннего диаметра на 2 мм, расход снижается на 22 %, и далее в соответствии с рис. 1(а). В системе с нижней разводкой при одинаковом уменьшении диаметра трубопровода всех участков на 1 мм, расход в системе отопления снижается приблизительно на 20 %, при уменьшении диаметра на 2 мм, расход в системе отопления снижается на 31 %, и далее в соответствии с рис. 1(б). В системе с верхней разводкой снижение расхода вследствие зарастания трубопровода происходит менее интенсивно нежели в системе с нижней разводкой в среднем на 5 % (рис.1 (в)).
Наиболее интенсивное снижение расхода в результате зарастания наблюдается у системы с нижней разводкой, а наименее интенсивное снижение расхода в двухтрубной системе отопления. Это обусловлено различными скоростями в системах. В соответствии с расчётом при больших скоростях перемещения теплоносителя, изменение расхода вследствие зарастания трубопровода происходит медленнее, чем при малых скоростях. Известно, что снижение расхода на участках системы отопления ведёт к уменьшению расхода теплоносителя в отопительном приборе, что в конечном итоге сказывается на теплоотдаче прибора.
Например, при «зарастании» участка стояка на 1мм, расход в отопительном приборе падает на 18% теплоотдача приборов на стояке 1 уменьшается на 2 %. При «зарастании на 2 мм, теплоотдача отопительных приборов уменьшается в среднем на 4 %, при уменьшении диаметра на 3мм, теплоотдача снижается на 6 % при уменьшении на 4 мм – на 7 % и далее в соответствии с рис. 2.
При уменьшении внутреннего диаметра более чем на 10 мм, уменьшение теплоотдачи отопительных приборов снижается более чем на 15 %. Для наиболее распространённого диаметра трубопровода Dy 20 это составляет половину внутреннего сечения. При таком уменьшении теплоотдачи приборов, невозможно поддерживать расчётную температуру в помещении, а достижение оптимальных значений температуры приводит к перерасходу электроэнергии, топлива и теплоносителя. Параметры работы системы отопления падают до критических, при которых необходима либо замена, либо эффективная очистка трубопровода.
Накипь на поверхности нагрева теплообменника увеличивает термическое сопротивление теплопередающей стенки и, следовательно, снижает коэффициент теплопередачи аппарата. Так как коэффициент теплопроводности накипи имеет весьма низкое значение, то даже незначительный слой отложений создает большое термическое сопротивление. Тепловая эффективность загрязненного теплообменника к такому же теплообменнику с чистой поверхностью, характеризуется отношением коэффициентов теплопередачи. Если проанализировать тепловую эффективность загрязнённых в различной степени теплообменников имеющих другие расчётные коэффициенты, можно извлечь важное следствие: теплообменник с высоким расчётным коэффициентом значительно более чувствителен к загрязнению, чем теплообменник с низким расчётным коэффициентом теплопередачи. Теплообменники с расчётными коэффициентами более 3000 Вт/(м2*К), при образовании накипи толщиной более 0,5 мм теряют тепловую эффективность более чем в половину от расчётной, что является критическим значением, при котором дальнейшая эксплуатация теплообменника нецелесообразна.
Образование накипи в котле ухудшает коэффициент теплоотдачи от стенки к нагреваемой среде и способствует тому, что температура стенки трубы становится выше температуры кипения воды при данном давлении. Известно, что слой накипи величиной 0,3 - 0,4 мм для котлов серии ДКВР опасен, а при толщине отложений более 0,5 мм эксплуатация котла должна быть запрещена.