Согласно [1, 2], теплоснабжение зданий может осуществляться по тепловым сетям от централизованной системы теплоснабжения (ТЭЦ или районная котельная) или от автономного источника теплоты (встроенная, пристроенная или отдельно стоящая котельная). Система отопления служит для поддержания в помещениях нормируемой температуры воздуха и состоит из трёх основных элементов: индивидуального теплового пункта, системы трубопроводов, служащих для подачи теплоносителя (воды) в каждый отопительный прибор, и отопительных приборов, предназначенных для передачи расчётного количества теплоты от теплоносителя через стенку отопительного прибора воздуху помещения.
В системе отопления непрерывно происходит циркуляция воды и изменение её температуры: часть трубопроводов от теплового пункта (или котла) до отопительных приборов заполнена нагретой водой, а от приборов до теплового пункта — охлаждённой водой. Температура воды в системе отопления изменяется, в том числе в соответствии с графиком качественного регулирования, в зависимости от температуры наружного воздуха.
Одновременно с изменением температуры воды в системе отопления меняется и объём воды. При повышении температуры объём воды увеличивается, а при понижении — уменьшается. Одновременно изменяется давление внутри элементов системы. Указанные изменения не должны влиять на работу системы отопления — в первую очередь давление не должно превышать предел прочности любого элемента системы. Чтобы этого не произошло, в системах отопления тепловой мощностью до 6 МВт предусматривается установка расширительного бака (открытого или закрытого). В данной статье для упрощения изложения материала рассматривается использование только открытого расширительного бака.
Основное назначение расширительного бака — вмещение прироста объёма воды, который образуется при её нагревании. Бак устанавливается выше системы отопления примерно на 1 м (в системах отопления, в которых температура воды в подающем трубопроводе составляет не более 95°C). Такая установка расширительного бака обеспечивает необходимую величину гидростатического давления, исключающего подсос воздуха в систему отопления. Кроме того, вода, находящаяся в расширительном баке, используется для подпитки систем отопления при небольших её утечках.
Расширительный бак должен быть соединён с системой отопления таким образом, чтобы вода без всяких препятствий могла поступать в бак и выходить из него.
К расширительному баку определённым образом присоединяют следующие трубопроводы: расширительный, сигнальный, переливной и циркуляционный; в некоторых случаях устанавливают реле уровня. Отметим, что переливная труба служит для предохранения расширительного бака от переполнения и соединяет бак с атмосферой, что обеспечивает свободный доступ воздуха в него. Это необходимо из-за непостоянства уровня воды в расширительном баке.
При включённом циркуляционном насосе в одной части системы отопления (система отопления — это замкнутый контур) будет происходить нагнетание теплоносителя, а в другой — всасывание. Точка, в которой расширительный бак присоединён трубопроводом к обратной магистрали, называется «точкой постоянного давления», поскольку давление в ней остаётся постоянным, как при работе насоса, так и при его бездействии.
Точка постоянного давления является границей, где заканчивается нагнетание и начинается всасывание. На участках всасывания создаётся пониженное давление, и, если оно окажется ниже атмосферного, то через неплотности в систему отопления может засасываться атмосферный воздух, который нарушит циркуляцию воды. Если всасывающий участок — это подающий трубопровод системы отопления, в котором температура теплоносителя может составлять 95°C, то при давлении ниже атмосферного вода может вскипеть, при этом образуется пар и, как следствие, произойдёт прекращение циркуляции воды. Чтобы избежать этого, расширительный бак следует присоединять к обратной магистрали системы отопления перед всасывающим патрубком циркуляционного насоса. В этом случае практически все трубопроводы системы отопления окажутся под избыточным давлением (причём значительно выше атмосферного), что исключит вскипание воды и подсос воздуха [3].
Если снабжение теплотой группы зданий осуществляется по тепловой сети от автономного источника теплоты (котельной), то присоединение расширительного бака вышеуказанным способом на практике обычно выполнить невозможно, поскольку, скорее всего, окажется, что расстояние от циркуляционного насоса до расширительного бака весьма значительно и составляет 100 м и более.
Рис. 1. Схема теплоснабжения жилых зданий от автономного источника (котельной) [I, II, III — жилые здания; 1 — котельная; 2 и 3 — подающий и обратный трубопроводы тепловой сети; 4, 5 и 6 — индивидуальные тепловые пункты; 7 — открытый расширительный бак]
На рис. 1 представлена схема теплоснабжения трёх жилых домов от котельной. В котельной установлены чугунные секционные водогрейные котлы, параметры теплоносителя — 95–70°C. Котельная расположена в отдельно стоящем здании, а расширительный бак установлен в самом высоком доме (с учётом этажности и рельефа местности это жилой дом III, рис. 1). Следовательно, расширительный бак является общим для всех трёх систем отопления (рис. 1–3).
В 1960-е годы в небольших городах строились в основном пятиэтажные дома. Для их отопления монтировались однотрубные системы водяного отопления с верхней разводкой магистралей, а в качестве отопительных приборов широко применялись чугунные радиаторы. Указанные системы отопления работали стабильно и поддерживали требуемую температуру воздуха в отапливаемых зданиях. Чаще всего одна котельная использовалась для отопления двух-трёх домов, а в качестве топлива применялся низкокачественный каменный уголь. Расширительный бак 11 подключался к обратной магистрали системы отопления следующим образом (рис. 2): циркуляционная труба присоединялась в точке А, а расширительная — в точке Б. Расстояние между точками А и Б составляло около 2–3 м с учётом расположения стояков системы отопления. При таком конструктивном исполнении системы отопления во всех зданиях, присоединённых к котельной, работали устойчиво и хорошо до определённого момента.
Рис. 2. Схема индивидуального теплового пункта и одной ветки системы отопления в жилом здании III [1, 2, 3 и 4 — задвижки; 5 и 6 — грязевики; 7 и 8 — манометры; 9 и 10 — термометры; 11 — расширительный бак; 12 — циркуляционная труба; 13 — расширительная труба]
Такое присоединение расширительного бака в прошлые годы применялось широко. В технической литературе тех лет отсутствовали указания и рекомендации, где и как следует присоединять расширительный бак при его расположении на значительном расстоянии от котельной.
Однако, время от времени, чаще всего при похолодании, когда температура наружного воздуха приближалась к −20°C, появлялась тревожная информация, что в такой-то котельной вдруг резко стало повышаться давление в котлах (по показаниям манометров), и через какое-то время в ниппельных соединениях чугунных секционных котлов появлялись течи.
Приходилось останавливать работу котельной и ждать, когда котлы, боровá, обмуровка котлов остынут, затем котлы демонтировали, устраняли течи и вновь восстанавливали работу котельной. По сути, проводили капитальный ремонт, на который требовалось до пяти суток при работе в две-три смены. А в это время в жилых домах отопление не работало.
Назывались разные причины появления течей в котлах, например, низкое качество секционных котлов, некачественный монтаж и т. д., и т. п. Но в числе причин появления течей не рассматривалось место присоединения расширительного бака к системе отопления.
Через некоторое время пришло понимание причин возникновения течей в котлах. Если во время работы котельной и систем отопления задвижки 1 и 2 (рис. 2) будут оставаться открытыми, то при увеличении объёма воды (при похолодании) последний будет свободно проходить по трубопроводам и скапливаться в расширительном баке 11 (рис. 2), при этом уровень воды в расширительном баке для рассматриваемого случая повысится на величину примерно 700 мм.
Увеличение гидростатического давления на указанную величину не может являться причиной появления течей, в том числе в ниппельных соединениях котлов.
Но если по какой-то причине задвижки 1 и 2 закроют, например, для ремонта системы отопления, то расширительный бак 11 окажется отключённым от системы теплоснабжения, и вода не сможет поступать в него, поэтому давление в системах отопления зданий I и II и в котлах начнёт резко увеличиваться (вода практически не сжимается). В рассматриваемой системе теплоснабжения самым «слабым» местом (в смысле возникновения течей) является чугунный секционный котёл, а точнее как раз ниппельное соединение секций — известно, что секции таких котлов соединяются при помощи безрезьбовых ниппелей, следовательно, это самое ненадёжное место, и именно в ниппелях в первую очередь появляются течи.
Но, если присоединить расширительный бак к обратному трубопроводу в помещении индивидуального теплового пункта после задвижки 2 (по ходу движения воды), как это показано на рис. 3 (в точках В и Г), то расширительный бак 11 будет всегда подключён к действующей части тепловой сети, а «дополнительный» объём воды, образующийся при расширении воды, циркулирующей в системах отопления зданий I и II и трубах теплоснабжения, поступит в расширительный бак 11 по расширительной трубе 13, и большого повышения давления в системе теплоснабжения не случится. Однако уровень воды в расширительном баке может повыситься до уровня присоединения переливной трубы.
Рис. 3. Схема индивидуального теплового пункта и одной ветки системы отопления [1, 2, 3 и 4 — задвижки; 5 и 6 — грязевики; 7 и 8 — манометры; 9 и 10 — термометры; 11 — расширительный бак; 12 — циркуляционная труба; 13 — расширительная труба]
Подберём необходимый объём расширительного бака для системы теплоснабжения (рис. 1).
Для системы теплоснабжения, схема которой представлена на рис. 1, определим полезный объём расширительного бака при следующих исходных данных: тепловая мощность каждой системы отопления — Q = 150 кВт; параметры теплоносителя — tг = 95°C, tо = 70°C; отопительные приборы — чугунные радиаторы.
Общий объём воды в системе теплоснабжения (рис. 1) вычисляется по формуле (10.5), представленной в [3]:
Vс = (Vпр + Vтр + Vкот + Vнар.сеть)Qсо, (1)
где Vпр, Vтр, Vкот и Vнар.сеть — объёмы воды в элементах системы отопления при tг = 95°C, соответственно (радиаторы чугунные — Vпр = 9,5 л/ кВт; трубы системы отопления — Vтр = 6,9 л/ кВт; котёл чугунный — Vкот = 2,6 л/ кВт; наружные сети — Vнар.сеть = 4,2 л/ кВт); Qсо — суммарная тепловая мощность всех систем водяного отопления, кВт.
Объём воды, требующийся для заполнения трёх систем отопления и тепловой сети, вычисляется как:
Vс = (9,5 + 6,9 + 2,6 + 4,2)450 = 10440 л.
Полезный объём расширительного бака Vпол, соответствующий увеличению объёма воды в системе Vс, с учётом данных табл. 3.1 [3] (с запасом) определяется по следующей формуле:
Vпол = 0,045Vс = 0,045×10440 = 470 л.
К установке принимаем ближайший по размеру расширительный бак типа 7Е010 (табл. III. 44 [4]) полезным объёмом 476 л. Диаметр бака — 930 м, высота — 1000 мм, масса бака — 107,2 кг. Полезный объём расширительного бака соответствует приросту (увеличению) объёма воды, заполняющей систему отопления.
Если уровень воды в расширительном баке повысится до уровня присоединения переливной трубы, то давление в нижней точке системы отопления увеличится примерно на 700 мм (по сравнению с минимальным, но допустимым уровнем воды в баке), но указанное давление не может быть причиной образования течей в ниппельных соединениях чугунного котла.
К сожалению, в справочной литературе [3, 4] отсутствуют рекомендации и указания, где и каким образом следует присоединять расширительный бак к системе отопления при рассмотренном варианте системы теплоснабжения. Всё перечисленное будет верно и в случае использования закрытого расширительного бака.
