SCHÉMA SYSTÉMU OHŘEVU VODY S PŘIROZENÝM OBĚHEM
Systém vytápění s přirozenou cirkulací se používá již od předválečných dob, jde tedy o spolehlivý a osvědčený způsob vytápění místností. Jedná se o jeden z nejjednodušších a možná i nejběžnějších topných systémů pro malé venkovské domy a byty s individuálním vytápěním. Systémy jsou velmi odolné (při správném provozu vydrží 40 a více let bez větších oprav) a využívají pouze přirozené fyzikální zákony, bez potřeby dalších zdrojů energie nebo drahého vybavení.
Ohřev s přirozenou cirkulací využívá jednoduchého fyzikálního efektu – rozpínání kapaliny při zahřívání.
Abychom to jednoduše vysvětlili, schéma fungování tohoto systému je následující:
- Kotel ohřívá určitý objem chladicí kapaliny (používá se hlavně destilovaná voda). Expanduje a díky své nižší hustotě je vytlačován směrem nahoru chladnějším množstvím chladicí kapaliny.
- Po vystoupání do nejvyššího bodu systému chladící kapalina, postupně ochlazující, opíše kruh gravitací přes topný systém a vrací se do kotle. Zároveň odevzdává teplo topným zařízením a ve chvíli, kdy se opět dostane k výměníku tepla, má vyšší hustotu než na začátku.
- Poté se cyklus opakuje.
Všechna horizontální potrubí systému jsou vyrobena se sklonem k pohybu chladicí kapaliny: po vzestupu podél stoupačky v důsledku tepelné roztažnosti a vytlačení chladnějším chladicím médiem ve zpětném potrubí se šíří podél horizontálních výstupů gravitací. Ochlazené chladivo zároveň proudí samospádem zpět do kotle. Sklony potrubí také přispívají k odvodu vzduchu (ve formě bublin) do expanzní nádrže: plyn je lehčí než chladicí kapalina, takže má tendenci stoupat a šikmé části potrubí pomáhají, aby se nikde nezdržoval a vstoupit do expanzní nádrže a poté do atmosféry. Expanzní nádoba vytváří konstantní tlak v systému, přijímá objem chladicí kapaliny, který se při zahřívání zvětšuje, a po ochlazení ji uvolňuje zpět do potrubí. Nejjednodušší schéma je vidět na obrázku níže. [obr.11]
Topný systém s přirozenou cirkulací 679 578 Topný systém s přirozenou cirkulací Topný systém s přirozenou cirkulací
obr. 11
Přirozená cirkulace ohřevu znamená poměrně malý pokles tlaku. Potrubí a topná zařízení nevyhnutelně poskytují určitý odpor vůči pohybu chladicí kapaliny. Proto se nedoporučuje pokládat potrubí v horizontálním směru delším než 30 metrů.
Systém s přirozenou cirkulací má větší setrvačnost. Z toho vyplývá, že mezi zapálením nebo spuštěním kotle a ustálením teploty ve všech vytápěných místnostech uplyne několik hodin. proč tomu tak je? Protože kotel musí zahřát výměník tepla, pak chladicí kapalina začne cirkulovat, a to docela pomalu.
Gravitační tlak je vynakládán na pohyb chladicí kapaliny a překonávání odporu v potrubní síti, což je způsobeno třením chladicí kapaliny o stěny potrubí a také přítomností místního odporu v systému. Místní odpory zahrnují: topná zařízení, odbočky, závity potrubí, armatury. Čím větší odpor je v potrubí, tím větší musí být gravitační tlak. Pro snížení tření se používají trubky se zvýšenými průměry.
A jak se v tomto případě vytváří cirkulační tlak? To je způsobeno skutečností, že ohřátá chladicí kapalina má nižší hustotu, a tedy nižší hmotnost, než chlazená.
Když se podíváte na [Obr. 12], který schematicky znázorňuje obrys topného systému a sejmete jeho horní část a ponecháte pouze kotel, radiátor a zpětné potrubí, které je spojuje s chlazenou chladicí kapalinou, všimnete si, že nejde o nic jiného než komunikující nádoby, z nichž jedna je vyšší než druhá. To znamená, že pod vlivem gravitace má chladicí kapalina tendenci se pohybovat z horní nádoby do spodní. Topný okruh, jak již bylo zmíněno, je uzavřený systém, chladicí kapalina v něm má tendenci zabírat jednu úroveň.
Topný systém s přirozenou cirkulací 560 463 Topný systém s přirozenou cirkulací Topný systém s přirozenou cirkulací obr. 12
Vysoký sloupec chlazeného chladiva za radiátory tedy neustále vytlačuje nízký sloupec před kotel a tlačí horké chladivo – dochází tak k přirozené cirkulaci. Jinými slovy, čím výše jsou radiátory vzhledem ke kotli, tím větší je cirkulační tlak. Instalační výška zařízení je nejdůležitějším ukazatelem tlaku v systému. Sklony přívodního potrubí směrem k radiátorům a zpět od radiátorů ke kotli k tomuto procesu pouze přispívají a pomáhají chladicí kapalině překonat místní odpor v potrubí.
Na základě výše uvedeného je nejlepším místem pro umístění kotelního zařízení v soukromém domě suterén, protože. bude umístěn výrazně pod topnými zařízeními.
Další dobrá věc na systému přirozené cirkulace je, že se jedná o samoregulační systém: současné změny teploty a množství chladicí kapaliny zajišťují nezbytný přenos tepla z topných zařízení pro udržení rovnoměrné teploty v místnostech. To znamená, že pokud to popíšeme vědecky, pak při kvalitativní regulaci (změna teploty ohřevu chladicí kapaliny) dochází ke kvantitativním změnám (mění se rychlost proudění chladicí kapaliny).
Abychom uvedli příklad, řekněme, že v zimě je v nevytápěném domě zima. Dále se kotel spustí na plný výkon, zvýší se ohřev chladicí kapaliny a v důsledku toho se její hustota sníží. Po dosažení topných zařízení předává teplo (přes tato zařízení) studenému vzduchu v místnosti, čímž zvyšuje hustotu chladicí kapaliny. A jak již víme, čím větší je rozdíl mezi hustotami horké a chlazené chladicí kapaliny, tím větší je cirkulační tlak. V důsledku toho, čím více je chladicí kapalina zahřátá, tím rychleji uvolňuje teplo přes radiátory, tím rychleji začne chladicí kapalina cirkulovat topným systémem. To se bude dít, dokud se vzduch v místnosti neohřeje. Poté začne chladicí kapalina vydávat teplo přes radiátory pomaleji, proto se bude ochlazovat pomaleji, její teplota (a hustota) bude podobná teplotě (a hustotě) chladicí kapaliny opouštějící kotel. Cirkulační tlak začne postupně klesat. Jakmile ale teplota v místnosti začne klesat, například v důsledku prudkého mrazu nebo jednoduše proto, že jsou otevřené vstupní dveře nebo okno, cirkulační tlak se opět začne zvyšovat. A to se bude dít, dokud bude zařízení kotle správně fungovat.
Možnosti systému ohřevu vody s přirozeným oběhem:
- jednotrubkové s horní elektroinstalací; [obr.13]
Topný systém s přirozenou cirkulací 500 500 Topný systém s přirozenou cirkulací Topný systém s přirozenou cirkulací obr. 13
- dvoutrubkové s horním vedením; [Obr. 14] (na obrázku: 1-kotel; 2-hlavní stoupačka; 3-přívodní potrubí; 4-přívodní stoupačka; 5-radiátor; 6-zpátečka; 7-zpětné potrubí; 8-ventil; 9-expanz nádrž ; 10-přepadová trubka)
Topný systém s přirozenou cirkulací 350 299 Topný systém s přirozenou cirkulací Topný systém s přirozenou cirkulací
obr. 14
- dvoutrubkové se spodní elektroinstalací. [Obr. 15] (na obrázku: 1-kotel; 2-přívodní potrubí; 3-přívodní stoupačka; 4-radiátor; 5-zpětná stoupačka; 6-zpětné potrubí; 7-vzduchové potrubí; 8-ventil; 9-expanz nádrž ; 10-přepadová trubka)
Topný systém s přirozenou cirkulací 350 311 Topný systém s přirozenou cirkulací Topný systém s přirozenou cirkulací
obr. 15
Princip činnosti systému ohřevu vody s přirozenou cirkulací vody (obr. VI.1) je následující.
Horká voda z kotle 1 je vedena přívodním (horkým) potrubím 2 do topného zařízení 3, kde je ochlazována. Voda ochlazená v zařízení se vrací zpět do kotle vratným potrubím 4. V fungujícím topném systému k takové cirkulaci vody dochází nepřetržitě.
Vzhledem k tomu, že objem vody v otopném systému se při ohřevu zvyšuje, aby se předešlo zvýšení tlaku a případným haváriím (prasknutí kotlů, potrubí atd.), je v nejvyšším bodě systému instalována expanzní nádoba 5, pomocí které systém komunikuje s atmosférou. Expanzní nádoba musí pojmout celý nárůst objemu vody vyplývající z jejího ohřevu. V systémech s přirozenou cirkulací slouží expanzní nádoby i k odvodu vzduchu, proto jsou napojeny na přívodní potrubí. Pro odstranění vzduchu ze systému a uvolnění vody z něj jsou potrubí položena se sklony. Směr sklonu potrubí na Obr. VI.1 je znázorněna šipkami.
V systému znázorněném na Obr. VI.1, k pohybu vody přívodním a vratným potrubím dochází pouze v důsledku rozdílu tlaků mezi sloupci ohřáté a ochlazené vody.
Voda ohřátá v kotli stoupá potrubím 3 nahoru a je nahrazena ochlazenou vodou vstupující do kotle zespodu potrubím 4. Cirkulace vody tedy nastává v důsledku rozdílu jejích objemových hmotností v přívodním a vratném potrubí.
Pro určení velikosti cirkulačního tlaku, který se v systému vyskytuje, předpokládejme, že voda ohřátá v kotli je ochlazována pouze v topném zařízení.
Vzhledem k tlaku působícímu na úsek I-1 vratného potrubí (viz obr. VI.1) je vidět, že z pravé strany na tento úsek tlačí sloupec chlazené, a tedy těžší vody; na levé straně je sekce vystavena tlaku ze sloupce ohřáté, lehčí vody. Pod vlivem rozdílu těchto tlaků dochází v systému k cirkulaci vody.
V pravém a levém sloupci vody jsou oblasti se stejnou teplotou, které nemohou vytvořit tlakový rozdíl; Patří sem plochy s výškou h5. Tlakový rozdíl v úseku I—I je tedy tvořen pouze úseky vodních sloupců o výšce h2, h3, h4.
Tlak vody v sekci I-I na pravé straně se rovná:
Cirkulační tlak se tedy rovná svislé vzdálenosti od středu kotle ke středu topného zařízení, vynásobené rozdílem objemových hmotností chlazené a ohřívané vody.
Vzorec (VI. 1) ukazuje, že hodnota přirozeného tlaku závisí na výšce topného zařízení nad kotlem – čím výše je zařízení umístěno vzhledem ke kotli, tím větší tlak vzniká v cirkulačním prstenci tohoto zařízení.
Při odvozování vzorce (VI. 1) jsme předpokládali, že voda se ochlazuje pouze v topném zařízení. Ve skutečnosti se voda ochlazuje nejen v zařízeních, ale také v potrubích, která uvolňují teplo do okolí. Je jasné, že v neizolovaných potrubích se voda ochlazuje více než v izolovaných. V důsledku ochlazování potrubí, kterými se voda pohybuje směrem dolů, se přirozený cirkulační tlak zvyšuje a v důsledku ochlazování potrubí, kterými se voda pohybuje směrem nahoru, cirkulační tlak klesá.
Pro další objasnění principu fungování otopného systému s přirozenou cirkulací vody je nutné vědět, jaký vliv má umístění ochlazovacího bodu pod otopným bodem na hodnotu cirkulačního tlaku a také přítomnost dalších otopných bodů v potrubním prstenci umístěných nad hlavním otopným bodem (střed zdroje tepla).
Na Obr. VI.2 ukazuje diagram, kde se v bodě 1 voda ohřívá (bod ohřevu) a v bodech 2, 3 a 4 se ochlazuje (místa chlazení), přičemž bod 4 je umístěn pod bodem ohřevu. Předpokládejme, že voda ohřátá v bodě / ochlazuje se pouze v bodech 2, 3, 4 a zbytek potrubí je dobře izolován a neodvádí teplo do okolí.
Pravý a levý sloupec vody nad bodem 2, které mají stejnou teplotu a stejnou objemovou hustotu, jsou vyvážené a neměly by být brány v úvahu.
Tlak pravého sloupce vzhledem k bodu 4
Na Obr. VI.3 ukazuje schéma, na kterém voda z hlavního topného bodu A vstupuje do bodu 1, kde se ochladí a v bodě 2 se s ochlazenou vodou mísí horká voda. V tomto případě je bod 2 v podstatě také bodem ohřevu, v důsledku čehož bude y2 užší.
Proto v tomto případě cirkulační tlak
Tento cirkulační tlak je o něco větší než tlak, který se vyskytuje v přítomnosti druhého topného bodu (bod 2) a tento tlakový deficit působí ve směru opačném ke směru obecné cirkulace.
Diagram uvedený v rns. VI.4 vysvětluje vliv chladicí vody v potrubí na cirkulační tlak. Cirkulační prstenec potrubí s bodem ohřevu vody A je dobře izolován, kromě úseku BV. Z topného bodu vstupuje voda do bodu B s teplotou odpovídající objemové hmotnosti uhlí.
V sekci BV se voda ochlazuje a předává část svého tepla okolnímu vzduchu a dostává se do bodu B a poté do bodu A ochlazeného s velkou objemovou hmotností.
Rozdíl tlaku mezi pravým a levým vodním sloupcem bude v tomto případě roven:
V důsledku toho se cirkulační tlak vznikající v důsledku chladicí vody v jakékoli části potrubí rovná rozdílu objemových hmotností vody na jeho konci a počátečních bodech, vynásobeným vertikální vzdáleností od bodu ohřevu (středu zdroje tepla) ke středu tohoto úseku potrubí. Ve vodorovných úsecích, kde se voda ochlazuje, bude cirkulační tlak rovněž roven rozdílu objemových hmotností na konci a začátku sekce, vynásobenému svislou vzdáleností od bodu ohřevu ke středu vodorovné sekce.
Systémy ohřevu vody s přirozenou cirkulací vody mohou mít celou řadu schémat zásobování vodou od generátoru tepla (kotle) po topná zařízení. Podle způsobu instalace v prostorách mohou být vertikální, horizontální, dvoutrubkové a jednotrubkové; podle umístění hlavních potrubí – s horním a spodním pokládáním horkých rozvodů; podle rozmístění cirkulačních prstenců – slepá a se stejným průtokem vody.