Рис. 1. Пример графика зависимости потерь давления от расхода теплоносителя для настройки перепускного клапана
Рис. 2. Номограмма «Подбор трех- и четырехходовых смесителей для отопительных систем»
Рис. 3. Пример напорно-расходного графика циркуляционного насоса
Обычно не всегда сразу понятно, подойдут ли приобретенные по отдельности детали друг к другу или придется искать переходники, не случится ли заужений, не пройдет ли электрохимическая коррозия из-за конфликта материалов, не забыли ли чего-нибудь купить, наконец. Закупки могут растянуться на несколько дней. Еще дольше продлится сборка.
При этом никто не застрахован от опасности некачественного монтажа вследствие производственного брака или ошибок монтажника, в результате чего соединения начнут подтекать и система потеряет герметичность. А чем больше соединений требуется выполнить, тем выше вероятность погрешностей. Кроме того, собранная из разрозненных кусочков обвязка выглядит некрасиво, к ней трудно подобрать теплоизоляцию.
Трубы отдельных контуров переплетаются, провисают — а это лишнее напряжение, сокращающее срок их службы. Доступ к отдельным элементам может быть затруднен, не всегда понятна принадлежность того или иного насоса или вентиля к конкретному контуру. Глядя на страдания проектировщиков, монтажников и, в конечном счете, заказчиков, производители стали сами подбирать или изготавливать необходимые детали, идеально сочетающиеся между собой, соединять их в заводских условиях, не забывая и о дизайнерской стороне вопроса, и предлагать их в дополнение к котельному оборудованию.
Такие сборные устройства получили название «систем быстрого монтажа». К ним относятся насосные группы (в которые, к слову, сам насос входит далеко не всегда — об этом подробнее см. ниже), коллекторы, гидравлические разделители (стрелки). Иногда к ним приписывают и группы безопасности.
Насосная группа
Насосные группы изготавливаются из всех допустимых в отопительных системах металлов: латуни, чугуна, бронзы, меди. Медно-цинковый сплав пользуется наибольшей популярностью, поскольку обладает оптимальным набором характеристик: стойкость к аэрированной воде (как и медь), средняя стоимость (дороже чугуна, дешевле меди), легко поддается обработке (тот же чугун или нержавеющую сталь сваривать значительно труднее, чем латунь).
Конструктивно насосные группы бывают неразборными и разборными. Во-первых все элементы отливаются или выплавляются в едином корпусе. Это повышает компактность и надежность за счет отсутствия лишних соединений, зато лишает «права на ошибку». Если в процессе монтажа или в ходе дальнейшей эксплуатации системы понадобится насос с другими характеристиками или дополнительный байпас, придется менять всю группу.
Разборные варианты состоят из нескольких независимых модулей, для каждого из которых существует несколько опций (со смесителем или без, с перепускным клапаном или без и пр.). Насос в этих группах нередко отсутствует в заводской сборке, имеется лишь стандартное посадочное место для него. Это удобно: проектировщик или монтажник не ограничен расходно-напорными характеристиками одного производителя, а может выбирать любого из присутствующих на рынке исходя из собственных расчетов и приоритетов престижа марки, энергосбережения, стоимости изделия, дополнительных опций.
По назначению производители обычно подразделяют насосные группы на четыре категории: для нерегулируемых радиаторных контуров, для регулируемых контуров типа «теплый пол», для контуров горячего водоснабжения и для котельного контура с поддержанием определенной температуры обратной линии. Деление это обусловлено общими принципами обвязки соответствующих отопительных систем.
Например, для низкотемпературного контура предусмотрен смеситель или термовентиль, а для высокотемпературных радиаторов — перепускной клапан. Итак, насосная группа включает следующие элементы:
1. Циркуляционный насос. Этот прибор обязательно присутствует в цельнолитых модификациях и опционально — в разборных. Так или иначе, всегда есть выбор между насосами с механической регулировкой мощности и электронной. Если не брать во внимание стоимость, ступенчатые модели подходят для контуров с постоянным расходом теплоносителя (контур ГВС), а электронные — для систем с переменным расходом (радиаторы с термостатическими вентилями). Подробно о правильном подборе циркуляционных насосов можно прочитать в [4].
2. Перепускной клапан, в ряде источников носящий название «перепускной вентиль» (для радиаторного, реже смесительного контура). Название восходит корнями к немецкому Ventil, обозначающему как «клапан», так и «вентиль». Но в русском языке эти два понятия все же различаются. Клапан — устройство, предназначенное для открытия или закрытия при наступлении определенных условий (повышении давления в сосуде, изменении направления тока среды в трубопроводе), а вентиль — запорное устройство, применяющееся для перекрывания потоков газообразных или жидких сред в трубопроводах.
Поэтому правильнее будет называть эту перепускную конструкцию «клапаном». Использование перепускного клапана настоятельно рекомендуется в системах с переменным расходом, где по какой-либо причине применяется механический циркуляционный насос. Если насосная группа работает на отопительный контур с установленными на радиаторах термостатами, при их закрытии увеличивается сопротивление контура.
При этом насос начинает работать на «закрытую задвижку» и может выйти из строя. Перепускной клапан, установленный непосредственно в насосной группе, при повышении перепада давления в контуре (термостаты радиаторов закрыты) открывается, тем самым выравнивая перепад между подающей и обратной линиями. Соответственно, часть теплоносителя будет циркулировать по малому контуру.
Давление открытия должно быть выше давления сопротивления системы примерно на 20 %. Перепускные вентили обычно проградуированы, а в руководствах приводятся соответствующие диаграммы «расход теплоносителя–потеря давления» в зависимости от выбора той или иной цифры (рис. 1).
3. Трех или четырехходовой смеситель (чаще) или термостатический вентиль (реже), используются для низкотемпературных отопительных контуров и для котельного контура, часто совмещен с байпасной перемычкой, протоком через которую также можно управлять. Для адекватной оценки характеристики пропускной способности данных устройств производители обычно приводят значение Kvs — условный объемный расход воды через полностью открытый клапан [м3/ч] при перепаде давлений 1 бар при нормальных условиях. Зависимость перепада давлений в вентиле, объемного расхода жидкости через него и условный объемный расход Kvs описывается соотношением:
где G — расход жидкости, м3/ч; ΔP — перепад давления при полностью открытом вентиле, бар; ρ — плотность жидкости (для воды — 1000 кг/м3).
При подборе смесительного вентиля можно руководствоваться номограммой (рис. 2). Пользоваться ей надо следующим образом: выбрать на шкале слева внизу заданную мощность, например, 25 кВт (1) и найти точку пересечения (2) с желаемой разницей температур (например, 15). При этом на шкале слева получается необходимый проток (в нашем примере 1,5 м3/ч).
На шкале справа внизу выбрать приемлемый диапазон потерь давления (например, от 3 до 10 кПа). На пересечении протока и диапазона потерь давления (3) теперь можно подобрать подходящее значение Kvs смесителя (4). В нашем примере нам подходит смеситель с Kvs = 6,3. Если смеситель с расчетной характеристикой найти не удается, полученная величина округляется в большую сторону.
Смесители, как и прочие регулирующие вентили и клапаны выпускают, как правило, с величинами Kvs, возрастающими в геометрической прогрессии: 1,0; 1,6; 2,5; 4,0; 6,3; 10; 16; 25; 40; 63; 100; 160… Данная числовая последовательность выбрана не случайно. Это так называемый «ряд предпочтительных чисел», используемый во многих инженерных областях: гидравлике, строительстве, электротехнике и пр.
Предпочтительными называют числа, которых рекомендуется придерживаться при выборе значений параметров для вновь создаваемых изделий. Ряды пред почтительных чисел строятся на основе определенных математических закономерностей, основными среди которых являются арифметическая и геометрическая прогрессии. При арифметической прогрессии разность значений между двумя соседними числами не изменяется по всему ряду, поэтому в зоне малых значений они имеют большую разреженность, а в зоне больших значений — большую уплотненность.
Применение арифметической прогрессии для формирования параметрического ряда приведет к увеличению количества больших типоразмеров по сравнению с количеством малых типоразмеров. Поэтому чаще применяются ряды чисел, построенные по геометрической прогрессии. Они характеризуются постоянным отношением двух смежных членов. Каждый последующий член ряда является произведением предыдущего члена и знаменателя геометрической прогрессии d (величина постоянная для данного ряда): Ni = dN(i – 1).
В стандартизации применяют четыре основных ряда (R5, R10, R20, R40) и один дополнительный (R80). Цифры означают число членов ряда в диапазоне от 1 до 10 и одновременно — степень арифметического корня из 10 при вычислении знаменателя прогрессии. Каждый последующий ряд включает все числа предыдущего ряда. Относительная разница между смежными числами ряда постоянна.
Ряд предпочтительных чисел для R5 будет: 1,00; 1,60; 2,50; 4,00; 6,30…, а знаменатель прогрессии для этого ряда: Ряд предпочтительных чисел для R10 будет: 1,00; 1,25; 1,60; 2,00; 2,50; 3,15; 4,00; 5,00; 6,30; 8,00…, а знаменатель прогрессии для этого ряда: Ряды предпочтительных чисел могут быть расширены путем умножения.
Так, числа более 10 получают умножением величин, установленных в интервале 1–10, на 10, 100, 1000, 10000…, а числа менее 1 — на 0,1; 0,01; 0,001; 0,0001… Предпочтительные ряды чисел лежат в основе российских и зарубежных нормативов на линейные размеры. В нашей стране это ГОСТ 8032–84 «Предпочтительные числа и ряды предпочтительных чисел». Ряды параметров и размеров, построенные на основе этих рядов, позволяют увязать между собой размеры конструктивно взаимосвязанных в процессе изготовления изделий.
4. Обратный клапан, именуемый также гравитационным тормозом (от нем. Schwerkraftbremse), предотвращающий отток теплоносителя под воздействием силы тяжести из группы, что могло бы привести к «сухому ходу» насоса и опорожнению контура.
5. Сервопривод, термоголовки, автоматика. Изредка органы управления входят в комплект насосных групп, но, как правило, их надо приобретать отдельно, у того же производителя или у другого. В руководстве к смесителям/термовентилям в таком случае указывают, какие марки и модели к ним подходят.
6. Шаровые краны, термометры, группа наполнения, теплоизоляция, крепеж — удобные и нужные мелочи, о которых нередко забывают при сборке системы из отдельных компонентов. При использовании «родных» приводов в теплоизоляции можно пробить заранее предусмотренное «окошко».
Коллектор
Коллектор известен также под дословным переводом «распределитель» (от нем. Verteiler), метафорой «гребенка» и различными их комбинациями (распределительный коллектор, распределительная гребенка). Он состоит, как правило, обычно из двух труб для теплоносителя подающей и обратной линий. При размещении между насосными группами и котлом он заполнен теплоносителем котельного контура, после насосной группы — теплоносителем соответствующего контура (обычно «теплого пола»).
Изготавливают коллекторы из чугуна, латуни, стали и даже из пластика. Существует ошибочное мнение, что проходное сечение коллектора должно равняться сумме проходных сечений подсоединенных к нему насосных групп, иначе, дескать, не будет хватать теплоносителя. Диаметр труб, на самом деле, играет вторичную роль. Основное внимание следует уделить насосам, поскольку объем поступающей и отбираемой воды зависит в первую очередь от них.
Рассмотрим элементарный пример: во всех контурах, включая котельный, установлены одинаковые циркуляционные насосы DN 25 с максимальным напором 4 м и механическим управлением (рис. 3). Как они будут работать? Насос котельного контура расположен обычно вблизи коллектора, на одном уровне с ним, поэтому напор практически равен 0. А значит, он сможет обеспечивать максимально возможный проток — 3 м3/ч (рабочая точка 1).
В отопительных контурах при полной загрузке системы максимум, на что приходится рассчитывать при напоре 2,5–3 м (обычный двухэтажный дом) — это 0,5–1 м3/ч (рабочие точки 2 и 3). Из них только контуры радиаторов и ГВС забирают необходимый им объем целиком из коллектора. У низкотемпературных систем часть протока поступает из обратной линии. Таким образом, в нашем примере к коллектору DN 25 можно безболезненно подсоединить до 4 насосных групп того же проходного сечения, и теплоносителя на всех хватит.
Гидравлический разделитель
Гидравлический разделитель называют также «гидравлической стрелкой» (от нем. hydraulische Weiche). Он предназначен для разделения первичного (теплогенераторов) и вторичного (потребителей) контуров, создавая зону снижения гидравлического сопротивления. Таким образом, расход теплоносителя в обоих контурах будет полностью зависеть только от производительности соответствующих циркуляционных насосов, взаимное влияние которых при этом исключается.
Гидравлический разделитель представляет собой перемычку в виде трубы большого диаметра, соединяющую подающую и обратную магистраль перед распределительной и сборной частями коллектора. Единственным параметром выбора разделителя является его диаметр, принимаемый по максимально возможному расходу воды в перемычке. Им является расчетный расход воды в контуре обвязки котельной.
Основной принцип выбора — обеспечение минимальной скорости воды в перемычке и, соответственно, практически нулевого перепада давления в разделителе. Вместе с закрытым расширительным баком это условие создает в точках входа и выхода котельного контура, и в точках входа и выхода коллектора своего рода «нейтральные» точки, в которых независимо от переменных режимов работы первой и второй частей схемы будет поддерживаться практически постоянное гидростатическое давление.
Таким образом, гидравлический разделитель обеспечивает гидравлический (а, следовательно, и температурный) баланс двух контуров. При использовании гидравлического разделителя расход теплоносителя во вторичном контуре обеспечивается только при включении соответствующего циркуляционного насоса, что позволяет системе реагировать на тепловую нагрузку в данный момент времени.
Когда все насосы вторичного контура отключены, циркуляция в нем отсутствует, а вся вода, циркулирующая под воздействием насоса первичного контура, перепускается через гидравлический разделитель. Аргументы в пользу установки этого устройства в современных отопительных системах подробно изложены в [5]. При расчете разделителей пользуются зависимостью диаметра гидравлического разделителя от максимального протока воды в системе или от максимальной мощности устанавливаемого котельного оборудования:
где D — диаметр гидравлического разделителя, мм; d — диаметр подводящих патрубков, мм; G — максимальный проток воды через разделитель, м3/ч; w — максимальная скорость движения воды через поперечное сечение гидравлического разделителя, м/с; P — максимальная мощность устанавливаемого котельного оборудования, кВт; Δt — задаваемая разность температур между подачей и возвратом системы отопления, °C. Нередко гидравлический разделитель оснащен автоматическими воздухо- и шламоотводчиками (носящих также названия дегазатора и грязеотстойника), фильтром, сливным вентилем.
Группа безопасности
В связи с тем, что группы безопасности относятся не к отопительным контурам, а к обвязке котла, к системам быстрого монтажа их относят весьма условно. И все же они тоже призваны облегчить жизнь монтажнику и заказчику, избавив последних от хождения по строительным магазинам. В стандартную группу безопасности котла входят мембранный предохранительный клапан из латуни, воздухоотводчик, манометр и теплоизоляция для всей конструкции.
