Система отопления должна обеспечивать расчётную температуру воздуха в помещениях. Критерием качества работы системы водяного отопления является надёжность поддержания требуемой температуры воздуха в отапливаемом помещении. В процессе эксплуатации системы могут возникать различные неисправности, например, недостаточный прогрев стояков, образование засоров в стояках и подводках.

К основным неисправностям систем отопления относятся: понижение температуры воздуха в помещениях и нарушение герметичности отдельных элементов системы. Понижение температуры воздуха возникает в основном из-за нарушения циркуляции воды.

Одной из причин нарушения циркуляции воды являются засоры системы отопления. Засорение образуется из-за попадания грязи в систему отопления (при небрежном монтаже), при неисправных грязевиках, при отложении продуктов коррозии на внутренних поверхностях трубопроводов.

При засорении элементов системы отопления увеличивается гидравлическое сопротивление участка системы, что является причиной уменьшения расхода теплоносителя, в результате этого снижается средняя температура поверхности радиатора, уменьшается его теплоотдача и, как следствие, происходит падение температуры воздуха в помещении.

Рассмотрим снижение теплопроводности стенок трубопровода системы отопления и температуры их поверхности в случае отложения твёрдых частиц на стенках.

Термическое сопротивление [м·°C/Вт] чистой (отложения отсутствуют) поверхности стенки отопительного прибора определяется по формуле:

Обеспечение тепловой устойчивости работы системы отопления здания. 7/2019. Фото 1

где δст — толщина стенки чугунного радиатора, принимается 0,004 м; λст — коэффициент теплопроводности стенки отопительного прибора, Вт/(м·°C); Апр — площадь внешней поверхности отопительного прибора, м²; Ав — площадь внутренней поверхности отопительного прибора [ м²], для чугунных радиаторов принимается по [1] Апр/Ав ≈ 1,3.

Обеспечение тепловой устойчивости работы системы отопления здания. 7/2019. Фото 2

Термическое сопротивление поверхности стенки отопительного прибора при наличии отложения [м·°C/Вт] определяется по формуле:

Обеспечение тепловой устойчивости работы системы отопления здания. 7/2019. Фото 3

где δотл — толщина отложений [м], определяемая по рис. 1, полученному в ходе натурного экспериментального исследования элементов системы отопления жилого здания; λотл — коэффициент теплопроводности отложений, равен 0,1–7,0 Вт/ (м·°C). Результаты расчёта термического сопротивление поверхности стенки отопительного прибора при наличии отложений представлены на рис. 2.

Обеспечение тепловой устойчивости работы системы отопления здания. 7/2019. Фото 4

Температура наружной поверхности стенки отопительного прибора [°C]:

Обеспечение тепловой устойчивости работы системы отопления здания. 7/2019. Фото 5

где ts — температура воды в системе отопления, °C; β — отношение наружного диаметра трубы к внутреннему; — коэффициент «растечки» теплоты, принимается 1,0; q — воспринятая тепловая нагрузка, Вт/м²; α — коэффициент теплоотдачи от стенки к обогреваемой среде, Вт/( м²·°C); χ — отношение толщины отложений к диаметру трубы. Результаты расчёта температуры наружной поверхности стенки отопительного прибора представлены на рис. 3. Видно, что при толщине отложений в 4 мм температура поверхности снижается на 10°C, при толщине в 7 мм — на 25°C, что в очередной раз подтверждает необходимость проведения промывки системы отопления.

Обеспечение тепловой устойчивости работы системы отопления здания. 7/2019. Фото 6

В связи с тем, что скорость движения воды в колонках чугунного радиатора небольшая (меньше 0,1 м/с), твёрдые частицы (грязь, оксиды металлов и др.) оседают в нижней части чугунного радиатора. В этом случае живое сечение (сечение для прохода воды) нижнего коллектора радиатора уменьшается и, следовательно, уменьшается и непосредственно расход теплоносителя (из-за увеличения гидравлического сопротивления), а слой твёрдых частиц увеличивает термическое сопротивление теплоотдаче, поэтому температура наружной поверхности радиатора (нижней его части) уменьшается — соответственно, теплоотдача нижней части радиатора снижается из-за уменьшения температурного напора, а весь стояк при этом может прогреваться нормально [2].

Известен способ промывки однотрубной системы отопления с верхней разводкой магистрали.

Схема промывки системы отопления с элеваторным присоединением к тепловой сети представлена в [3, рис. 9.6, стр. 418]. Указанная система отопления — однотрубная, с осевыми замыкающими участками и верхней разводкой магистрали. Чугунные радиаторы типа М140 присоединены к вертикальным стоякам при помощи двух подводок — подающей и обратной. Обе подводки присоединены к чугунному радиатору с одной стороны.

На рис. 4 показан фрагмент стояка однотрубной системы водяного отопления со смещённым замыкающим участком, трёхходовым краном и верхней разводкой магистрали; подводки присоединены к радиатору с одной стороны. Хорошо видно, что наибольшее количество загрязняющих веществ в ёмкостном отопительном приборе скапливается в нижнем коллекторе радиатора в секциях, расположенных ближе к глухой пробке.

Обеспечение тепловой устойчивости работы системы отопления здания. 7/2019. Фото 7

Эффективность промывки изображённой на рис. 4 системы отопления с помощью способа промывки, предложенного в [3, 4], крайне мала. Известно, что чугунные радиаторы типа М140 состоят из отдельных секций, которые соединяются друг с другом с помощью ниппелей. Каждая секция имеет две колонки. При движении воды (теплоносителя) по стояку 1 в точке 2 (трёхходовой кран) поток должен делиться на две части: одна часть воды проходит по подающей подводке 3, попадает в верхний коллектор 4 радиатора и по колонкам секций 5, 6, 7, 8, 9 и 10 опускается вниз, поступает в нижний коллектор 11 радиатора, затем выходит из радиатора по обратной подводке 12, подходит к точке 13, соединяется с потоком воды, который проходит по замыкающему (обходному) участку 14.

Далее общий поток движется вниз по стояку 1 к радиатору, расположенному ниже.

Следует отметить, что в точке 2 поток теплоносителя может и не делиться, в этом случае весь расход воды, идущей по стояку 1 и подающей подводке 3, будет одинаковым, а в трубопроводе 14 расход практически будет равен нулю, то есть весь расход воды проходит через радиатор.

Скорость движения воды (теплоносителя) в колонках секций радиатора не одинакова. В колонках секций 5, 6 и 7 скорость больше, чем в колонках секций 8, 9 и 10 (рис. 4). Поэтому в концевых секциях 8, 9 и 10 всегда больше оседает твёрдых частиц, так как они не уносятся потоком воды (теплоносителя) из-за малой скорости движения.

Таким образом, в процессе длительной эксплуатации в концевых секциях накапливаются твёрдые вещества, которые уменьшают площадь живого сечения нижнего коллектора 11, что приводит к тому, что расход воды (теплоносителя) через концевые секции 8, 9 и 10 радиатора уменьшается [5–7]. Выше было отмечено, что теплоотдача радиатора уменьшается, как за счёт увеличения термического сопротивления слоя твёрдых частиц, так и за счёт уменьшения расхода воды (теплоносителя).

Аналогично движется промывочная вода в системе отопления и чугунном радиаторе при использовании известного способа промывки системы отопления [3]. Промывочная вода (водопроводная вода, используемая для промывки системы) подаётся в чугунный радиатор по подающей подводке 3 (рис. 2), а удаляется из радиатора по обратной подводке 12. При этом обе подводки присоединены с одной стороны радиатора (если смотреть на рис. 2, то подводки присоединены с правой стороны радиатора). В этом случае левая сторона нижнего коллектора радиатора (секции чугунного радиатора 8, 9 и 10) из-за малой скорости движения промывочной воды в них практически не будет очищаться (промываться) от осевших твёрдых частиц.

Многолетняя практика эксплуатации систем отопления, в которых использованы чугунные секционные радиаторы, подтверждает, что концевые секции засоряются чаще и в большей степени [8, 9]. Для улучшения промывки системы отопления, включающей чугунные радиаторы авторами, предлагается более эффективный способ промывки системы отопления.

Промывку системы отопления можно осуществлять гидравлическим или гидропневматическим способами. В настоящей работе представлен только гидравлический способ промывки. При гидравлическом способе создают большие скорости (в три-пять раз больше, чем при работе системы отопления) путём постоянного потока водопроводной воды через систему отопления или её отдельный элемент [10, 11].

На рис. 5 изображена схема системы отопления для трёхэтажного дома с элеватором, присоединённым к тепловой сети. На время промывки системы её необходимо отключить от тепловой сети с помощью головных задвижек 38 и 39. Из элеватора необходимо удалить сопло и стакан.

Обеспечение тепловой устойчивости работы системы отопления здания. 7/2019. Фото 8

Систему отопления целесообразно промывать по стоякам, начиная с концевого стояка. До начала заполнения системы отопления водопроводной водой необходимо выполнить следующее: из чугунного радиатора, установленного на третьем этаже, необходимо вывернуть глухую пробку (из нижнего коллектора) 10 и ввернуть проходную пробку, в которую следует ввернуть патрубок 11 с краном 12, в который вворачивают патрубок 13, к которому присоединяется шланг 14; другой конец шланга следует вывести в канализацию.

В радиатор, расположенный на втором этаже, аналогично устанавливается в проходную пробку патрубок 16 и 18, кран 17 и шланг 19. В радиатор на первом этаже аналогично устанавливаются патрубки 21 и 23, кран 22 и шланг 24. После этого стояк 1, подающие 25 и обратные 26 магистрали заполняют водой, открыв задвижки 27, 28 и 29 и краны 6, 7 и 30. Краны 31, 32, 33 и 34 должны быть закрыты. При появлении воды в воздушном кране 6 его закрывают. Трёхходовой кран 2 во время промывки радиатора должен быть отрегулирован таким образом, чтобы пропускать всю воду по замыкающему (обходному) участку 8, то есть на время промывки кран 2 должен перекрыть поступление в чугунный радиатор 4 по подающей подводке 3, и весь расход воды должен поступать по трубам 5 и 8 в нижний коллектор радиатора. Такое конструктивное решение обеспечивает движение воды (для промывки) в нижнем коллекторе радиатора справа налево (рис. 4).

Выше было отмечено, что в нижнем коллекторе радиатора скапливается большое количество твёрдых частиц, то есть это самое загрязнённое место. Движение воды для промывки начинается в той части нижнего коллектора, где количество твёрдых частиц меньше и они движутся в сторону, где твёрдых частиц больше и вода с большим количеством твёрдых частиц удаляется из нижнего коллектора радиатора, тем самым исключается перенос твёрдых частиц в другие элементы системы отопления.

Всё это увеличивает эффективность промывки системы отопления при минимальном расходе водопроводной воды и сокращает время промывки.

Удаление загрязнённой воды из радиатора осуществляют по шлангу 14 в канализацию. Промывку части системы отопления ведут до тех пор, пока из шланга 14 потечёт чистая вода, кран 12 закрывают и начинают промывку радиатора, расположенного на втором этаже. Промывку ведут при открытой задвижке 28, закрытых кранах 6, 12, 22, 31, 32 и 33, а также при закрытой задвижке 29. Промывку ведут так же, как и радиатора, расположенного на третьем этаже.

После окончания промывки радиатора, расположенного на втором этаже, закрывают кран 17 и далее аналогично промывают все остальные радиаторы, присоединённые к первому стояку.

Отметим, что после промывки радиатора, расположенного на первом этаже, оказались промытыми подающие магистрали 25 и весь концевой стояк (этаже стояк), за исключением небольшого участка стояка (от низа радиатора, установленного на первом этаже, до обратной магистрали 26 и часть обратной магистрали — от места присоединения двух соседних стояков). Промывку этих участков ведут при открытой задвижке 28, открытых кранах 7 и 30; закрытых кранах 6, 31, 32 и 33. Удаление загрязнённой воды осуществляется через задвижку 35 и шланг 36, открытых кранах 7 и 30, закрытых кранах 12, 17 и 22 и закрытой задвижки 29.

После промывки стояка 1 краны 7 и 30 закрывают и начинают промывать другие стояки путём последовательного открывания кранов на стояках.

Исследовано снижение теплопроводности стенок трубопроводов системы отопления в зависимости от толщины отложения твёрдых частиц на стенках. Выявлено, что толщина отложения в 7 мм снижает температуру поверхности трубопровода почти на 25°C.

Установлены основные недостатки существующей методики промывки системы отопления, связанные с тем, что подача воды для промывки и её удаление осуществляются с одной стороны отопительного прибора. При этом не обеспечивается промывка нижнего коллектора, что приводит к постепенному снижению теплоотдачи прибора за счёт снижения расхода теплоносителя и увеличения термического сопротивления нижней части отопительного прибора.

Предложенная авторами схема промывки позволяет обеспечить эффективную промывку радиаторов за счёт организации подачи и удаления промывочной воды с разных сторон отопительного прибора. Применение предложенного способа позволяет:

  • уменьшить расход воды на промывку системы отопления;
  • сократить время её промывки;
  • исключить перенос твёрдых частиц в другие элементы системы отопления, что позволяет повысить надёжность её работы.

Рассмотренный способ промывки может быть использован в системах отопления зданий любой этажности. Условием его применимости являются конструктивные особенности отопительных приборов, позволяющие выполнить присоединение дренажного шланга со стороны отопительного прибора, противоположной подаче промывочной воды.