Технология сбора и удаления воздуха в системах отопления

В системах центрального отопления, особенно водяного, скопления воздуха (точнее газов) нарушают циркуляцию теплоносителя и вызывают шум и коррозию стали. Воздух в системы отопления попадает различными путями: ча­стично остается в свободном состоянии при заполнении их теплоносителем; подсасывается в процессе эксплуатации неправильно сконструированной системы; вносится водой при заполнении и эксплуатации в растворенном (точнее, поглощенном, абсорбированном) виде. В системе с деаэри­рованной водой появляется водород с примесью других газов.

Количество свободного воздуха, остающегося в трубах и приборах при их заполнении, не поддается учету, но этот воздух в правильно сконструированных системах удаля­ется в течение нескольких дней эксплуатации.

Подсоса воздуха можно избежать путем создания из­быточного давления в неблагоприятных точках системы (см. § 7.2).

Количество растворенного воздуха, вводимого в системы при периодических добавках воды в процессе эксплуата­ции, определяется в зависимости от содержания воздуха в подпиточной воде. Холодная водопроводная вода может содержать свыше 30 г воздуха в 1 т воды, подпиточная деаэ­рированная вода из теплофикационной сети — менее 1 г. Поэтому всегда следует стремиться к заполнению и под­питке систем отопления деаэрированной водой.

Количество растворенного воздуха (газа), переходящего в свободное состояние, зависит от температуры и давления в системе отопления. Приведем зависимость растворимости (насыщающей концентрации) кислорода воздуха от тем­пературы чистой воды при атмосферном давлении (98,1 кПа):

Температура воды, БС......................... 5 30 50 70 90 95

Растворимость кислорода воздуха

Ра, г/т..................................................... 33 20 15 11 5 3

Следовательно, повышение температуры воды сопровож­дается значительным понижением содержания в ней раст­воренного кислорода, а также других газов, и в тех местах систем водяного отопления, где горячая вода находится под давлением, близким к атмосферному, из растворенного в свободное состояние переходит наибольшее количество газов.

Повышение давления задерживает переход абсорбиро­ванного газа в свободное состояние. Зависимость раство­римости газа в воде от давления с достаточной точностью выражается законом Генри, согласно которому абсорбируе­мое количество газа пропорционально его давлению (при данной температуре), т. е. может быть представлена в виде

Pi = P. Ј. (5.3)

Ра

Где Ра — растворимость газа в воде при атмосферном давлении, г/т; ра и pi — парциальное давление газа (абсолютное) в воде со­ответственно при атмосферном и повышенном гидростатическом давлении.

Влияние повышения гидростатического давления на растворимость газа в воде видно из следующего примера. В системе водяного отопления восьмиэтажного здания (вы­сота системы 23 м) наибольшая растворимость воздухавВоде при температуре 95 °С составит по формуле (5.3) „.33-9,81—84,6 3,0-239,1 ,„ , р1=3,° 98,1-84,6 ** 13,5 3=53 Г/Т'

Где 84,6 кПа — упругость водяных паров при температуре 95 °С; 239,1 и 13,5 — парциальное давление воздуха соответственно при абсолютном повышенном (323,7 кПа) и атмосферном (98,1 кПа) давлении.

В такой системе отопления растворенный воздух, вво­димый с подпиточной водой, не сможет перейти в свободное состояние в нижней ее части. Это произойдет лишь при достаточном понижении гидростатического давления в верхней части системы.

Воздух в свободном состоянии занимает в системах водяного отопления значительный объем. Например,вСистеме вместимостью 7 м3 воды воздух, выделяющийся

При нагревании воды из водопровода от 5 до 95 °С, будет иметь объем

V - Ус (Ра хол-ра. гор) (273+ TT)_7 (33 - 3) 273 + 95 _п 00 в03д 10»ро. во„ 273 1,29-273 " ■ •

Такой объем воздуха может образовать «пробку» в трубе D у50 протяженностью около 100 м, что нарушит циркуляцию теплоносителя. Этот пример подтверждает настоятельную необходимость удаления свободного воздуха из систем отопления.

Растворенный воздух имеет около 33% кислорода. По­этому «водяной» воздух более опасен в коррозионном от­ношении для стальных труб, чем атмосферный, в котором содержится около 21 % кислорода (по объему).

При эксплуатации систем отопления с деаэрированной водой в течение отопительного сезона при сравнительно малой коррозии металла могут появиться значительные скопления водорода. В воде происходит медленная ионная химическая реакция с образованием гидрата закиси железа Fe(OH)2. В горячей воде гидрат закиси железа превра­щается в окалину — магнетит (осадок, имеющий вид чер ■ ных частичек) с выделением водорода

3Fe(0H)a^Fe304+2H20 + H2. (5 4)

При коррозии, например, 1 см3 железа выделяется 1 л водорода.

Форма газовых скоплений в воде в свободном состоянии различна. Лишь пузырьки с диаметром сечения не более 1 мм имеют форму шара. С увеличением объема пузырьки сплющиваются, принимая эллипсоидную и грибовидную форму.

В вертикальных трубах пузырьки газа могут всплы­вать, находиться во взвешенном состоянии и, наконец, увлекаться потоком воды вниз.

В горизонтальных и наклонных трубах пузырьки газа занимают верхнее положение. Мельчайшие пузырьки за­держиваются в нишах шероховатой поверхности труб. Более крупные пузырьки (объемом 0,1 см3 и более) в за­висимости от уклона труб и скорости движения воды как Бы катятся вдоль «потолочной» поверхности труб в виде прерывистой ленты. С увеличением скорости движения воды до 0,6 м/с начинается дробление газовых скоплений, пузырьки в верхней части труб, отрываясь от их поверх­ности, двигаются по криволинейным траекториям. При скорости движения воды более 1 м/с мелкие пузырьки постепенно распространяются по всему сечению труб — возникает газоводяная эмульсия.

Направление движения пузырьков свободного воздуха в воде зависит от соотношения воздействующих на них сил — подъемной архимедовой силы и силы сопротивле­ния движению.

Рассмотрим состояние идеального воздушного пузырь­ка — шарика диаметромD в потоке воды, движущемся сверху вниз. Подъемная сила Р, Н, действующая на пузы­рек, направлена вверх

P = V (Увож—Уъоа), (6,5)

Где V — объем пузырька; увоЛ и ув03 — удельный вес, Н/м3, соот­ветственно воды н воздуха.

При движении со скоростью V в потоке воды, обладаю­щем скоростью до, пузырек испытывает силу сопротивления всплыванию

Где сх — коэффициент сопротивления.

При P—R скорость и=0 и пузырек находится в потоке во взвешенном состоянии. Скорость W свободного потока, не ограниченного стенками трубы, при которой пузырек газа «витает» в воде, носит название скорости витания, или критической скорости движения воды.

При P>R пузырек «всплывает» против течения воды и перемещается в верхние части системы.

При P<R, т. е. при скорости движения потока, превы­шающей критическую, пузырек газа уносится потоком воды и в системе отопления перемещается в нижние ее части.

Критическая скорость потока воды, связанная с обыч­ными геометрическими размерами воздушных скоплений в системах водяного отопления, составляет в вертикальных трубах 0,20—0,25 м/с, в наклонных и горизонтальных трубах 0,10—0,15 м/с. Скорость всплывания пузырьков в воде не превышает скорости витания.

Проследим за состоянием газов и образованием их скоп­лений в вертикальных системах водяного отопления.

Газы переходят из растворенного состояния в свобод­ное по мере уменьшения гидростатического давления: в главном стояке с горячей водой при верхней разводке, В отдельных стояках — при нижней. Свободные пузырьки И скопления газов движутся по течению или против него В зависимости от скорости потока воды и уклона труб. Газы собираются в высших точках системы, а при высокой скорости движения захватываются потоком и по мере по­нижения температуры и повышения гидростатического давления в нижних частях системы вновь абсорбируются водой.

Установим теперь совокупность мероприятий для сбора и удаления газов из систем водяного отопления.

В системах с верхней разводкой необходимо обеспечивать движение свободных газов к точкам их сбора. Точки сбора газов (и удаления их в атмосферу) следует назначатьвНаиболее высоко расположенных местах систем. Скорость движения воды в точках сбора должна быть менее 0,10 м/с; длина пути движения воды с пониженной скоростью выби­рается с учетом всплывания пузырьков и скопления газов для последующего их удаления.

Конкретно магистралям придают определенный уклон в желательном направлении (см. § 5.2) и устанавливают проточные воздухосборники (рис. 5.17) — вертикальные или горизонтальные.

Минимально необходимый внутренний диаметр dB, мм, воздухосборника определяют исходя из скорости движения воды в нем менее 0,10 м/с по формуле

RfB=2G°t5, (5.7)

Где G — расход воды, кг/ч.

Выбранный диаметр воздухосборника должен превы­шать диаметр магистрали по крайней мере в 2 раза. Длину горизонтального воздухосборника делаютв 2—2,5 раза больше его диаметра. Из воздухосборников газы удаляются в атмосферу периодически при помощи ручных спускных кранов или автоматических воздухоотводчиков (рис. 5.18).

В большинстве известных конструкций автоматических воздухоотводчиков (так называемых вантузов) поплавково - клапанного типа используются внутреннее гидростатиче­ское давление для закрывания клапана (прижимания зо-

Проточные воздухосборники а — вертикальный на главном стояке, б — горизонтальный на магистрали; 1 — главный стояк, 2 — магистрали; 3 — труба Д^ 15 (с краном) для выпуска воздуха; 4 — муфта Ду15 для воздуховыпускной трубы, 5 — муфта Ду15 с пробкой для выпуска грязи

Ф

Рис. 5.18. Схемы установки воздухосборников и воздухоотводчиков а — с горизонтальным проточным воздухосборником, б — о вертикальным не» проточным воздухосборникам; в — автоматический воздухоотводчик; г — не­проточный воздухосборник; 1 — магистраль; 2 — воздухосборник, 3 воздухо - отводчики, 4 — запорные краив, 5 — ручные воздуховыпускиые краны; 6 —Воздушная линия; 7 — поплавок; 8 — упор; 9 — пружинный клапан, 10 за«

Щитный колпак

Q

Лии тзг

I I

I

I

! I

Ч h-^f

I

Рис. 5.19. Способы удаления sos* духа из систем водяного отоп­ления с нижней разводкой а, б, в — через воздушный кран 1; г, д — через воздушные трубы 2 и 3 с петлей б и непроточный воздухосборник 4; е — через от­крытый расширительный бак 6; Ж — деталь ручного крана о от­вертываемым игольчатым што­ком; I—I •« верхний уровень зо - ды в стояках и баке

Лотника клапана к седлу воздушной трубки) и масса по­плавка для его открывания.

На рис. 5.18, в показан воздухоотводчикG пружинным воздуховыпускным клапаном. Если в пространстве между корпусом и поплавком собирается воздух, то поплавок опускается. При этом сжимается пружина в клапане и для воздуха открывается выход в атмосферу. Поступающая при этом в корпус вода поднимает поплавок и с помощью пружины клапан закрывается.

В системах с «опрокинутой» циркуляцией воды и верх­ним расположением обратной магистрали, в гравитацион­ной системе с верхней разводкой для отделения и удаления газов используют расширительные баки с открытой пере­ливной трубой.

0)

В системах водяного отопления снижней разводкой обе­их магистралей газы, концентрирующиеся в колончатых радиаторах или в греющих трубах конвекторов, установ­ленных на верхнем этаже, удаляют в атмосферу периоди­чески при помощи ручных и автоматических воздушных

кранов 1 (рис. 5.19, а) или централизованно через специ­альные воздушные трубы 2 и 3 (рис. 5.19, г).

Распространен ручной бессальниковый воздушный кран £)у15 с поворотным игольчатым штоком (рис. 5.19, ж). Кран ввертывают в пробку радиаторов или тройник на подводке к конвекторам. Однако более совершенны авто­матические воздушные краны, работа которых основана на свойстве сухого материала пропускать воздух и задер­живать его при увлажнении.

При централизованном удалении газов воздушные трубы стояков соединяются горизонтальной воздушной линией (рис. 5.19, г) с петлей для устранения циркуляции воды в воздушной линии (рис. 5.19, д, е). Для периодического выпуска воздуха в воздушной петле помещают вертикаль­ный воздухосборник со спускным краном (рис. 5.18, б и 5.19, д). Для непрерывного удаления воздуха воздушную петлю присоединяют к соединительной трубе открытого расширительного бака (рис. 5.19, е).

Особенно важны мероприятия по сбору и удалению воздушных скоплений при «подпитке» систем водопроводной водой. В этом случае при нижнем расположении магист­ралей колончатые радиаторы на верхнем этаже присоеди­няют по схеме снизу—вниз (см. рис. 5.19, а), конвекторы снабжают воздушными кранами или применяют центра­лизованное удаление воздуха (см. рис. 5.19, г).

При подпитке систем отопления деаэрированной водой небольшие скопления газов в трубах и приборах на верх­нем этаже устраняются сами по себе, если предусматри­вать повышение скорости движения воды в них до 0,30 м/с и более. Уносимые при этом газы будут абсорбироваться водой в нижней части стояков — в зоне повышенного гид­ростатического давления. Это вполне осуществимо в вер­тикальных однотрубных системах, и тогда возможно одно­стороннее — по унифицированной схеме — присоединение труб к отопительным приборам на верхнем этаже здания (см. рис. 5.19, б).

Поглощение воздуха водой протекает сравнительно быстро в отопительных приборах на нижних этажах зда­ний, где растворимость воздуха возрастает благодаря уве­личению гидростатического давления. По наблюдениям процесс обезвоздушивания радиаторов, присоединенных к трубам по схеме снизу—вниз (см. рис. 5.19, а), при зна­чительном гидростатическом давлении практически закан­чивается в течение 2—3 сут без открывания воздушных кранов. Поэтому при обеспечении достаточной раствори­мости газов трубы можно присоединять к приборам по схеме, изображенной на рис. 5.19, в, способствующей повы­шению плотности теплового потока приборов.

В вертикальных однотрубных системах многоэтажных зданий с П-образными и бифилярными стояками наверху каждого стояка можно устанавливать только один воздуш­ный кран и пользоваться им только при спуске воды из стояка. При наполнении же системы воздух можно удалять в основании нисходящей части стояков путем выдавли­вания его водой.

В системах парового отопления воздух находится в свободном состоянии. В паропроводах пар вытесняет воз­дух в нижние части систем к конденсатным трубам. Удель­ный вес воздуха приблизительно в 1,6 раза больше, чем удельный вес пара: при температуре 100 °С соотношение составляет 9 Н/м3 к 5,7 Н/м3, чем объясняется скопление воздуха над поверхностью конденсата. Так как раствори­мость воздуха в конденсате незначительна из-за высокой температуры конденсата, воздух остается в свободном состоянии.

В горизонтальных и наклонных самотечных конденсат - ных трубах воздух перемещается над уровнем конденсата, в напорных конденсатных трубах — в виде пузырьков и водовоздушной эмульсии.

В паровых системах низкого давления воздух удаляют в атмосферу через специальные воздушные трубы.

В паровых системах высокого давления воздух захва­тывается конденсатом, движущимся с высокой скоростью. Водовоздушная эмульсия по трубам попадает в закрытый конденсатный бак, где воздух отделяется от конденсата и пе­риодически отводится в атмосферу через специальную воздушную трубу