5.5. Удаление воздуха из системы 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.

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 30г воздуха в 1 т воды, подпиточная деаэрированная вода из теплофикационной сети — менее 1г. 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, С 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

(5,3)

где pa — 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 23м) наибольшая растворимость воздуха в воде при температуре 95 °С составит по формуле (5.3)

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, в системе вместимостью 7м³ воды воздух, выделяющийся при нагревании воды из водопровода от 5 до 95 °С, будет иметь объем

Такой объем воздуха может образовать «пробку» в трубе Dy50 протяженностью около 100м, 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 черных частичек) с выделением водорода

3Fe(OH)₂Fe₃0₄+2H₂0+H₂ (5.4)

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

Форма газовых скоплений в воде в свободном состоянии различна. Лишь пузырьки с диаметром сечения не более 1мм 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 поток ом 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 диаметром d в потоке воды, движущемся сверху вниз. Подъемная сила Р, Н, действующая на пузырек, направлена вверх

(5.5)

где V — объем пузырька; γвод и γвоз — удельный вес, Н/м³, соот­ветственно воды и воздуха.

При движении со скоростью v в потоке воды, обладающем скоростью w, пузырек испытывает силу сопротивления всплыванию

(5,6)

где сx — коэффициент сопротивления.

При P=R скорость v=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 горячен 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 назначать в наиболее 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 и устанавливают проточные воздухосборники (рис. 5.17)—вертикальные или горизонтальные.

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

dв=2G⁰’⁵, (5.7)

где G — расход воды, кг/ч.

Выбранный диаметр воздухосборника должен превышать диаметр магистрали по крайней мере в 2 раза. Длину горизонтального воздухосборника делают в 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 золотника клапана к седлу воздушной трубки) и масса поплавка для его открывания

Р ис. 5. 17. Проточные воздухосборники

а — вертикальный на главном стояке; б — горизонтальный на магистрали; 1 — главный стояк 2 - магистрали; 3 - труба Ду

отоп­ления с нижней разводкой

а, б, в — через воздушный кран 1; г, д — через воздушные трубы 2 и 3 с петлей 5 и непроточный воздухосборник 4; е — через открытый расширительный бак 6; ж — деталь ручного крана о от­вертываемым игольчатым штоком; I—1 — верхний уровень воды в стояках и баке

На рис. 5.18, в показан воздухоотводчик с 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.

В системах водяного отопления с нижней 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 Dyl5 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 конденсатных 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.