Схема без гидравлического разделителя
Рассмотрим сначала схему без гидравлического разделителя. Система здесь и далее работает по температурному графику 80 С / 60 C.
К - котёл, Н1, Н2 - насос, КП - коллектор прямой воды (горячая), КО - коллектор обратной воды (тёплая), РБ - расширительный бак, Р - регулятор, Ш - дроссельная шайба или балансировочный клапан, П - потребитель тепловой энергии, Ф - фильтр, 0 - нулевая точка, давление в которой задаёт давление в остальных частях системы.
Подробно описывать приводимые в данной статье схемы не будем, описание различных схем с гидравлическим разделителем и без него см. в [1].
Рассмотрим преимущества установки насоса в линию обратной воды (схема с Н1) по сравнению с его установкой в линию прямой воды (схема с Н2).
1. Насос перекачивает жидкость с более низкой температурой, что положительно сказывается на его надёжности и долговечности. Да, в паспорте на насос может быть указано, что максимальная допустимая температура перекачиваемой жидкости 110 С. Но максимальная допустимая и оптимальная - это не одно и то же. Не зря производитель даёт гарантию не на весь им же декларируемый срок службы насоса (10 лет), а только на 1 - 3 года. В системах отопления частных домов в основном применяются насосы с мокрым ротором, в которых перекачиваемая жидкость используется для охлаждения электродвигателя и торцевого уплотнения, а также для смазки и охлаждения подшипников вала. Очевидно, что жидкость с более низкой температурой лучше справится с охлаждением чем жидкость с более высокой температурой, особенно на режимах с небольшим расходом теплоносителя.
Также насос Н1 в отличии от Н2 не пострадает в случае отказа системы управления котлом, в результате которого вода в котле нагреется до температуры выше допустимой или котёл начнёт вырабатывать пар.
2. Т.к. температура обратной воды ниже температуры прямой воды и её давление выше (на величину потерь давления в котле), то насос, установленный в линии обратной воды будет находится в лучших условиях с точки зрения недопущения возникновения кавитации.
3. Т.к. давление воды в теплообменнике котла выше, то выше и температура её закипания, а значит ниже риск возникновения пристенного кипения в трубках теплообменника котла на минимальных режимах его работы.
Давление воды в теплообменнике котла:
Н1: [Давление РБ] - [Потери давления в Ф] + [Напор насоса]
Н2: [Давление РБ] - [Потери давления в Ф]
4. Если в системе отопления предусмотрены два параллельно установленных насоса - рабочий и резервный (при падении давления в напорной линии ниже заданной уставки рабочий насос выключается, резервный включается), то демонтировать вышедший из строя насос при работающей системе безопаснее, если он установлен в линии с теплоносителем температурой 60 С, а не 80 С.
В интернете приводят ещё одно преимущество установки насоса в линию обратной сетевой воды: плотность тёплой воды больше чем горячей, поэтому при неизменном объёмном расходе за единицу времени прокачивается больший массовый расход, значит КПД насоса выше.
При давлении 2 бар(и) плотность воды при температуре 60 С составляет 983 кг/м3, а при температуре 80 С - 972 кг/м3 (отличие 1,2%). Если даже такое малое отличие повышает КПД насоса, то какой у насоса будет КПД если в качестве теплоносителя использовать не воду, а ртуть, плотность которой в 13 раз больше плотности воды?
На самом деле КПД насоса зависит от объёмного расхода, а не от массового. При увеличении плотности перекачиваемой жидкости с массовым расходом (увеличением которого объясняют рост КПД) растёт также мощность, потребляемая приводящим насос электродвигателем. В какую сторону при этом изменится (на ничтожную величину) КПД насосного агрегата (насос + электродвигатель) определяется зависимостью КПД электродвигателя от его мощности.
В общем непонятно зачем в схеме без гидравлического разделителя может понадобиться устанавливать насос в линию прямой воды, т.к. данный способ установки насоса не имеет никаких преимуществ.
Теперь на примере насосов Н1 и Н2 рассмотрим задачу обеспечения бескавитационного режима работы насоса более детально.
Общим для всех схем является тот факт, что давление в каждой точке системы определяется давлением в нулевой точке - месте подключения линии расширительного бака к системе. Какую бы конфигурацию мы не придумали, давление в нулевой точке всегда будет равно давлению в расширительном баке (плюс подпор если РБ установлен выше места врезки), которое в нашем случае примем p_рб = 3 бар(а) - абсолютное давление (избыточное + 101325 Па). В данной статье все указанные величины давления являются абсолютным давлением.
С помощью изложенной в [2] методики определим условия работы насосов Н1 и Н2 с точки зрения возможности возникновения кавитации.
Кавитация не возникнет если располагаемый надкавитационный напор (NPSHA) больше указанного в паспорте насоса требуемого надкавитационного напора (NPSHR). Для надёжности лучше предусмотреть запас 0,5 м, тогда условие бескавитационной работы насоса будет выглядеть так:
NPSHA > NPSHR + 0,5
NPSHR определятся конструкцией насоса и указывает на какую величину минимальное давление внутри насоса ниже давления перед ним.
Располагаемый надкавитационный напор перед насосом рассчитывается по формуле:
NPSHA = p_рб / (Плотность * 9,81) - H_кип + H_п - dH
p_рб - абсолютное давление воды в точке врезки линии расширительного бака, Па; Плотность - плотность воды перед насосом, кг/м3; 9,81 - ускорение свободного падения, м/с2; H_кип - давление кипения воды при температуре t, м (см. здесь); t - температура воды перед насосом, С; H_п - подпор воды на всасе насоса (разница высотных отметок между точкой врезки линии расширительного бака и патрубком всаса насоса), м; dH - потери давления в трубопроводе от точки врезки линии расширительного бака до патрубка всаса насоса, м.
Определим значения NPSHA:
NPSHA_Н1 = H_рб - Н_кип_обр + H_п - dH
NPSHA_Н2 = H_рб - Н_кип_пр + H_п - dH
где H_рб = p_рб / (Плотность * 9,81) = 3e5 / 978 / 9,81 = 31,3 м
Плотность - среднее значение между плотностями прямой и обратной воды (для простоты, чтобы было одно значение H_рб для обоих вариантов).
Н_кип_обр = 2,07 м; Н_кип_пр = 4,98 м (значения для соответствующих температур (60 С и 80 С соответственно) взяты из столбца Н_кип данной таблицы).
NPSHA_Н1 = 29,2 + H_п - dH_ф - dH_тр
NPSHA_Н2 = 26,3 + H_п - dH_ф - dH_к - dH_тр
где dH_ф, dH_к, dH_тр - потери давления (напора) в фильтре, котле и трубах от точки врезки РБ до патрубка всаса насоса соответственно, м.
NPSHA_Н2 меньше NPSHA_Н1 из-за более высокой температуры воды и больших потерь давления на участке трубопровода между точкой врезки РБ и насосом.
Схемы с гидравлическим разделителем
Теперь рассмотрим схемы с гидравлическим разделителем (о целесообразности применения гидравлического разделителя см. [1]).
К - котёл, Н1 - Н4 - насос, ГР - гидравлический разделитель, РБ - расширительный бак, Р - регулятор, П - потребитель тепловой энергии, 0 - нулевая точка, давление в которой задаёт давление в остальных частях системы. Фильтр не требуется, т.к. его функции выполняет ГР.
Насос Н1 в контуре котла ставится перед котлом. Все преимущества такой схемы приведены выше при обсуждении схемы на рис. 1.
Отметим, что в схемах с ГР для любого контура давление в его начале и давление на его выходе равны давлению в гидрострелке, которое в свою очередь равно давлению в РБ. Другими словами, потери давления в контуре равны напору насоса, установленного в этом контуре.
Вариант схемы с Н2
Посмотрим на распределение давления вдоль контура потребителя.
Вертикальная ось - значение абсолютного давления H в метрах водяного столба.
H_рб - давление в расширительном баке, м;
H_вс - давление перед всасывающем патрубком насоса, м;
H_атм - атмосферное давление, м;
H_мин - минимальное давление в контуре потребителя, м.
Горизонтальная ось - элементы, установленные в контуре потребителя (см. описание обозначений для рис. 2).
Синяя линия на графике соответствует "плоской схеме" - когда все элементы контура потребителя располагаются на одной высотной отметке. Потери давления в трубопроводах для простоты приняты нулевыми.
Теплоноситель из ГР с начальным давлением H_рб последовательно проходит:
1. через Р с потерями давления dH_р;
2. через П с потерями давления dH_п;
3. через насос Н2, где происходит повышение давления на величину напора H;
4. возвращается обратно в ГР с давлением H_рб.
Минимальное давление в системе - давление на всасе насоса:
H_вс = H_рб - dH_р - dH_п = H_рб - H
Зелёная линия на графике показывает изменение давления при установке Р и П на dh метров выше относительно отметки ГР и Н2.
Теплоноситель последовательно проходит:
1. с давлением H_рб от ГР к Р;
2. на пути от ГР к Р имеется вертикальный участок по которому вода поднимается на высоту dh (например, на второй этаж), при этом давление воды снижается на dh;
3. через Р с потерями давления dH_р;
4. через П с потерями давления dH_п;
5. на пути между П и Н2 имеется вертикальный участок по которому вода опускается на dh метров, при этом давление воды увеличивается на dh;
6. через насос Н2, где происходит повышение давления на величину напора H; 7. обратно в ГР с давлением H_рб.
Определим располагаемый надкавитационный подпор для схемы с насосом Н2.
NPSHA = H_рб - Н_кип_обр + H_п - H
приняв H_п = 0 (патрубок входа обратной воды в ГР и всасывающий патрубок Н2 находятся на одном высотном уровне), и подставив численные значения ранее заданных или найденных величин, получим:
NPSHA = 29,2 - H
Чем больше напор насоса H (который должен преодолеть суммарное гидравлическое сопротивление П и Р) тем меньше NPSHA. В данном случае увеличить NPSHA можно только увеличив давление в расширительном баке.
Ещё один минус рассматриваемой схемы: возможность падения давления воды в контуре до давления ниже атмосферного, и появление присосов воздуха. Риск увеличивается при наличии потребителей, расположенных выше высотной отметки насоса.
Минимальное давление в системе с потребителем, расположенным на dH метров выше насоса Н2:
H_мин = H_рб - dh - (dH_р + dH_п) = H_рб - dH - H = 31,3 - dh - H
Давление H_мин должно быть выше H_атм = 10,6 м
Схема с Н2 может быть применена только после проведения всех необходимых гидравлических расчётов с учётом потерь давления в трубопроводах, а так же зависимости напора насоса от его подачи.
С другой стороны, если есть возможность сделать проект системы отопления с выполнением всех необходимых расчётов, то лучше обойтись без гидравлического разделителя, т.к. гидрострелка - это "костыль", позволяющий собрать систему отопления из несовместимого без гидрострелки оборудования (см. [1]).
Вариант схемы с Н3
Данная схема является в большей мере умозрительной, т.к. Р + П или П + Р - это радиатор. Разместить насос между элементами радиатора не получится, хотя такая схема более жизнеспособна по сравнению со схемой с Н2.
Если в схеме с Н2 давление на всасе насоса равно H_рб - (dH_р + dH_п), то в схеме с Н3: H_вс = H_рб - dH_п, а значит минимальное давление в системе и располагаемый надкавитационный напор увеличиваются на dН_р по сравнению со схемой с Н2.
NPSHA = H_рб - Н_кип_обр - dH_п = 29,2 - dH_п
Вариант схемы с Н4
В данной схеме:
Н_вс = H_рб
H_мин = H_рб - dh = 31,3 - dh
NPSHA = H_рб - Н_кип_пр = 31,3 - 5,0 = 26,3 м
Выводы
При установке насоса в линию обратной воды (схема Н2, Н3) необходимо определить давление на всасе насоса и проверить его кавитационный запас, а так же в случае наличия потребителей на возвышении относительно насоса, следует найти минимальное давление, которое должно быть выше атмосферного. При этом стоит помнить, что реальный напор насоса может отличаться на плюс минус 8% от указанного в паспорте (см. [4]) и нужно рассматривать наихудший вариант (наибольший напор).
При установке насоса в контуре потребителя в линию прямой воды (схема Н4) выполнить проверку на кавитационный запас насоса и на отсутствие в системе присосов гораздо проще, чем для схем Н2, Н3. Кроме того для данной схемы, т.к. напор насоса является стабилизирующим фактором, риск возникновения кавитации и появления присосов минимален.
Вывод: в схемах с гидравлическим разделителем в контуре потребителя в условиях отсутствия возможности выполнить гидравлические расчёты в качестве вынужденной меры безопаснее устанавливать насос в линию прямой воды.
Если же читатель готов побороться за более комфортные условия для насосов, которые обеспечивает их установка в линии обратной воды, то ему достаточно будет изложенной в данной статье методики и следующих табличных данных:
Н_кип - давление кипения воды при заданной температуре t, м;
Плотность - плотность воды при заданной температуре t, кг/м3.
Ссылки
1. Гидравлический разделитель (гидрострелка)
2. Способ быстрой оценки кавитационного запаса насоса
3. Расчёт кавитационного запаса
4. Моделирование напорной характеристики насоса