Гидрострелка для отопления

Система отопления представляет собой достаточно сложный «организм», для эффективного функционирования которого необходимо добиться максимальной согласованности, балансируя работу всех элементов. Добиться такой «гармонии» не так-то просто, особенно если система сложная, разветвленная, включающая несколько контуров, отличающихся как принципом работы, так и температурным режимом. Кроме того, контуры отопления отдельных теплообменников могут иметь свои блоки автоматической регулировки и управления, которые своим вмешательством не должны влиять на функциональность «соседей».

Существует несколько подходов к достижению такого «унисона», но одним из самых простых и эффективных способов является очень простое, но очень эффективное устройство – гидроразделитель, или, как его чаще называют, гидравлическая стрела для обогрева. Что это за элемент, каков принцип его работы, как его правильно рассчитать и смонтировать — в этой публикации.

Для чего нужен гидравлический разделитель в системе отопления

Чтобы понять назначение гидрострелки, вспомним, как вообще работает автономная система отопления.

• В простейшем варианте систему принудительной циркуляции можно представить следующим образом.

Схема дана с большим упрощением. Так что расширительный бачок и элементы группы безопасности он не показывает, просто для «облегчения» картины.

К – котел, обеспечивает нагрев теплоносителя.

N1 – циркуляционный насос, благодаря которому теплоноситель движется по подающим трубам (красные линии) и обратным трубам (синие линии). Насос может быть установлен на трубу или входить в конструкцию котла – особенно это касается настенных моделей.

Радиаторы отопления (РО) встроены в замкнутый контур трубы и обеспечивают теплообмен – тепловая энергия теплоносителя передается в помещения дома.

При правильном выборе циркуляционного насоса по производительности и напору, создаваемому в простейшей одноконтурной системе отопления, его может быть вполне достаточно в единственном экземпляре, и особой необходимости в установке дополнительных устройств вроде бы и не возникает. Об этом будет примечание — чуть позже.

Циркуляционный насос – важнейший элемент системы отопления

Даже при наличии схем с естественной циркуляцией теплоносителя циркуляционный насос все же следует установить – это резко повысит КПД системы отопления. Как выбрать циркуляционный насос для отопления, как рассчитать оптимальные параметры устройства — в специальной публикации нашего портала.

• Для небольшого дома такого простого обустройства может быть достаточно. Но в большом здании часто приходится использовать несколько отопительных контуров. Усложним схему.

Может ли один насос обслуживать несколько контуров? Далеко от истины…

На этом рисунке видно, что насос обеспечивает движение теплоносителя через коллектор (С), откуда он разбирается на несколько разных контуров. Он может стать:

— Один или несколько высокотемпературных контуров с обычными радиаторами или конвекторами (РО).

— Водяные теплые полы (ВТП), для которых температура теплоносителя уже должна быть намного ниже, а значит, будут задействованы специальные термостатирующие устройства. Сенсорная длина контуров теплого пола также обычно в несколько раз превышает обычную радиаторную линию.

— Система снабжения дома горячей водой с установкой бойлера косвенного нагрева (БКН). Здесь к циркуляции теплоносителя предъявляются совершенно особые требования, так как обычно температура нагрева горячей воды регулируется также изменением расхода теплоносителя, протекающего через котел.

Выдержит ли наш одиночный насос такую ​​нагрузку, при таком расходе теплоносителя? Возможно нет. Конечно, есть модели с высокой производительностью и мощностью, с большими показателями создаваемого давления, но возможности самого котла не безграничны. Его теплообменник и внутренние трубы рассчитаны на определенную мощность и давление, и эти значения не стоит завышать, так как это вполне может привести к выходу из строя дорогостоящей котельной системы.

Да и сам насос, если он будет постоянно работать на пределе своих возможностей, снабжая теплоносителем все контуры комплексной системы, вряд ли прослужит долго. Это не говоря уже о повышенном шуме от мощного оборудования и значительном энергопотреблении.

• Какой выход — установить на каждый контур свой циркуляционный насос, рассчитанный по параметрам его «подсистемы», которую он обслуживает.

Работа нескольких насосов требует обязательного согласования, иначе система будет разбалансирована

Таким образом, каждый из контуров имеет свой собственный насос. Задача решена? Увы, это далеко не так — оно просто перешло в «другую плоскость» и даже ухудшилось!

Чтобы такая система стабильно функционировала, необходим очень точный расчет насосного оборудования. Но даже это, скорее всего, не сделает такую ​​сложную схему равновесной. Как правило, насосы подключены к системам термостатического регулирования каждого из контуров, то есть их текущие, в данный момент, значения рабочих характеристик изменяются. Один контур временно прекращает работу, другой, наоборот, включается. Не исключены варианты одновременной работы или, наоборот, временного простоя всех насосов. Циркуляция в одном контуре может создать инерционное, «паразитное» движение теплоносителя в другом, где он в данный момент не нужен — и так далее, вариантов может быть много.

В результате это часто приводит к недопустимому перегреву теплых полов, неравномерному прогреву разных помещений, «запиранию» контуров и другим негативным явлениям, сводящим на нет усилия владельцев по созданию высокоэффективной системы.

И самое страшное в этом случае насос, установленный рядом с котлом — вся нестабильность параметров системы отражается, в первую очередь, на его работе, и, наконец, на «обшивке», функции котла, которая не может быть исправной. -настроенный. Но часто в больших домах два и более котла устанавливаются каскадно – управление такой системой вообще становится крайне сложной, почти невыполнимой задачей. Все это приводит к быстрому износу дорогостоящего оборудования.

• А выход, оказывается, достаточно прост – необходимо разделить всю гидросистему не только на конечные контуры, через коллектор, но и выделить отдельный котловой контур.

Проблема балансировки решается установкой гидроразделителя (гидравлической стрелки)

Именно эту функцию выполняет гидрострелка (ГС). Это простое устройство устанавливается между котлом и коллектором.

Правильное полное название гидрострелки — гидроразделитель. Видимо, стрелкой она была названа потому, что способна перенаправлять гидравлические потоки теплоносителя, обеспечивая баланс всей системы в целом.

Конструкция обычного гидравлического пистолета предельно проста

Конструктивно этот элемент представляет собой полую трубу круглого или прямоугольного сечения, демпфированную с обоих концов, с двумя парами труб — выходной, для подачи и входной — для «обратки».

Фактически образуются два взаимосвязанных, но фактически независимых от каждого контура: малый котловой контур и большой, включающий коллектор со всеми ответвлениями к остальным контурам. Каждый из этих двух контуров имеет свой расход и скорость движения теплоносителя, не оказывающие существенного влияния друг на друга. Обычно показатель Q1 является стабильным значением, так как насос котла работает постоянно с одной и той же скоростью, Q2 меняется в процессе текущей работы системы отопления.

Фактически система делится на малый котельный контур и большой с теплообменными агрегатами.

Диаметр трубы выбирают таким образом, чтобы создать участок с пониженным гидравлическим сопротивлением, что позволяет выровнять давление в малом контуре, так сказать, вне зависимости от работы или холостого хода рабочих контуров. В целом это приводит к сбалансированной работе каждого участка системы отопления, к бесперебойной работе котельного оборудования и всей системы, не подверженной скачкам давления и температуры.

Как работает гидравлический разделитель

В принципе возможны три режима работы гидравлического сепаратора.

Иллюстрация	Описание режима работы гидропистолета
	Это почти идеальное, равновесное состояние системы. Давление, создаваемое насосом малого контура котла, равно суммарному давлению всех контуров отопления (Q1=Q2). Температуры на входе и выходе равны (t1 = t3). На «обратке» ситуация аналогичная (t2=t4). Вертикальное перемещение теплоносителя минимально или даже полностью отсутствует. На практике такая ситуация если и возникает, то крайне редко, спорадически, так как рабочие параметры отопительных контуров имеют свойство периодически меняться.
	Ситуация вторая. Суммарный расход теплоносителя в контурах отопления превышает расход насоса котла (Q1 . На самом деле его можно охарактеризовать так, что «спрос» на воду превышает то, что может «предложить» котел. Довольно распространена ситуация, когда одновременно задействовано большинство цепей. В этом случае формируется вертикальный восходящий поток из обратного трубопровода в большой контур подающего трубопровода. По мере движения вверх вертикальный поток смешивается с горячим теплоносителем, поступающим из котла. Температурный режим: t1 > t3, t2 = t4.
	Ситуация диаметрально противоположная — расход в малом контуре (без изменения номинального) стал выше суммарного в контурах отопления (Q1 > Q2). «Запас» превышал «потребность» в теплоносителе. Типичные причины такой ситуации: — включение термостата на отопительных контурах или на бойлере косвенного нагрева, временно отключить подачу теплоносителя. — временное полное отключение одного или нескольких контуров из-за отсутствия потребности в отоплении отдельных помещений. — временное отключение цепей для проведения ремонтных или профилактических работ. — пуск котельного оборудования для отопления, с поэтапным подключением рабочих контуров. Ничего критичного не происходит – контур котла работает в основном «сам по себе», прокачивая основной объем теплоносителя по малому кругу. В самой гидрострелке формируется вертикальный нисходящий поток, от подачи к «обратке». Температурный режим: t1 = t3, t2 > t4. При таком режиме работы температура в «обратке» быстро достигает порога автоматического отключения котельного оборудования, что обеспечивает рациональное использование топлива.

Гидравлический сепаратор может выполнять ряд других полезных функций.

• Прежде всего — обещанное замечание о системе отопления не самого разветвленного типа. Полезным, а иногда даже незаменимым элементом может стать гидравлическая стрела, если теплообменник котла изготовлен из чугуна.

Чугунные теплообменники не любят резких перепадов температуры – могут треснуть

При всех достоинствах этот металл все же имеет существенный недостаток – механическую и термическую хрупкость. Резкий перепад температуры с большой амплитудой может привести к трещине в чугунной детали. Таким образом, при включении системы отопления в холодное время года может возникнуть очень значительная разница температур – в духовке и в обратке. Нагрев теплоносителя в большом контуре займет много времени, а для чугунного теплообменника этот период очень критичен. Но если контур «укоротить», то есть пропустить через гидроразделитель, то теплоноситель будет прогреваться гораздо быстрее, а вероятность деформации теплообменника котла будет минимальной.

Цены на гидравлический разделитель STOUT

Гидравлический сепаратор STOUT

Кстати, некоторые производители котельного оборудования с чугунными теплообменниками прямо указывают на необходимость установки гидравлической стрелки – нарушение этих требований влечет за собой прекращение гарантийных обязательств.

• Дополнительно можно «пустить в ход» резкое расширение объема в трубе гидрострелки и вызванное этим падение скорости жидкости».

Возможные дополнительные функции гидрострелки — воздухоразделение и очистка теплоносителя от твердых взвесей

1. Полностью исключить газообразование в теплоносителе практически невозможно, поэтому в системе отопления устанавливают сливные краны Маевского или автоматические воздушные клапаны – в группе безопасности, на радиаторах отопления и т д. Очень эффективным воздухоотделителем может стать и гидроразделитель сепаратора из-за его большого объема. Для этого в него сверху врезается автоматический воздушный клапан (поз. 1). Кроме того, на заводских моделях внутри цилиндра часто устанавливается специальная мелкоячеистая сетка, которая способствует активному отделению растворенного воздуха от жидкости с последующим выпуском через клапан.
2. Резкое снижение расхода способствует гравитационному осаждению твердых взвесей, появление которых вполне вероятно в теплоносителе. Если установить кран снизу (поз. 2), то можно будет регулярно очищать систему от скопившегося ила.

Видео: Анимированная демонстрация функционирования гидравлического разделителя

Специфика конструкции гидравлического разделителя

Как видно из вышеизложенного, конструкция гидравлического сепаратора достаточно проста. Однако он должен соответствовать определенным правилам.

В продаже в специализированных магазинах можно найти множество предложений, разных размеров и конфигураций, то есть есть возможность подобрать модель, максимально подходящую по параметрам существующей или планируемой системы отопления. Часто встречаются оригинальные модели, конструктивно совмещающие в себе как сам гидроразделитель, так и коллектор для подключения контуров. Иногда можно увидеть водяные стрелки и вообще необычную звездчатую конфигурацию.

Подбор гидравлических сепараторов заводского изготовления

Но если посмотреть на стоимость этих изделий, то наверняка возникнет мысль о возможности самостоятельного изготовления. На самом деле, для владельца дома, знакомого с сантехникой и сваркой, установка гидроразделителя не составит труда. Самое главное – соблюдать рекомендуемые размерные параметры, которые обеспечат оптимальную функциональность устройства.

Классическая конструкция гидросепаратора основана на правиле «трех диаметров». Как это выглядит показано на схеме.

«Классическая» компоновка по принципу «трех диаметров»

Диаметр, разумеется, показывает внутренний, условный проход вне зависимости от толщины стенки.

Другая аналогичная схема — с соплами, изменяющимися по высоте. Его пропорции показаны на второй диаграмме.

Расположение с чередующимися по высоте патрубками

Предполагается, что «ступень вниз» на подаче будет способствовать лучшему газоразделению, а «ступень вверх» на обратке более эффективно разделять твердые взвеси.

Как рассчитать диаметр гидравлической стрелки D — будет рассказано в следующей части публикации. Между тем стоит отметить, что такое соотношение диаметров выбрано не случайно. Одной из основных целей является обеспечение скорости вертикальных потоков в пределах 0,1÷0,2 м/с, не более. Для чего это:

• Минимальная скорость обеспечивает максимальную очистку теплоносителя от шлама, способствует лучшему воздухоотделению.
• На малых оборотах наивысшее качество дает естественная конвекция горячего, от подачи, и остывшего, от «обратки» теплоносителя. При этом создается определенный температурный градиент по высоте – подобная особенность часто используется при использовании гидрострелки в качестве коллектора с разным температурным напором – отдельно для высокотемпературного (радиаторы или бойлер) и низкотемпературного («теплый пол») контуров. Такой подход позволяет снизить нагрузку на оборудование контроля температуры, повысив общую эффективность каждого из контуров и всей системы в целом.

Коллектор с низкими потерями для достижения температурного градиента по высоте

Следует сказать, что вертикальное расположение гидропушки хоть и считается «классическим», но отнюдь не догмой. Если не учитывать функции отделения воздуха от теплоносителя и сбора твердых взвесей, то можно использовать и горизонтальный вариант, в зависимости от конкретных условий размещения труб в системе отопления. Более того, можно изменить даже расположение подающих и обратных труб котла и контуров отопления. Несколько примеров показаны на диаграмме ниже.

Возможные схемы горизонтального размещения гидроразделителя

При таком расположении гидросепаратора требование минимизации расхода в нем отходит на второй план — отделение осадков не требуется, а смешение происходит за счет противоположного направления потоков из первого контура котла и контура отопления. Это позволяет использовать в производстве трубы меньшего диаметра. Но при этом необходимо создать правильные условия для обеспечения качественной смеси. Для этого подающая и обратная трубы каждого их контура должны быть разделены расстоянием не менее четырех диаметров d, причем при любом диаметре трубы это расстояние не может быть менее 200 мм.

Пример навесной горизонтальной гидравлической стрелы

Водяной пистолет не всегда представляет собой сварную стальную конструкцию. Можно найти немало примеров, когда умельцы изготавливают их из медных труб или даже из полипропилена – такое устройство в целом будет стоить вполне разумно. Правда, температурный режим в системе разделения не должен превышать максимум 70°С при использовании пластика.

Гидроразделитель изготовлен из полипропиленовых труб

Можно найти и совершенно неожиданные решения. Так, например, гидроразделитель изготавливается из труб небольшого диаметра, что придает ему вид сетки. При таком подходе вполне можно ограничиться полипропиленовыми или даже металлопластиковыми трубами Ø 32 мм.

Сетчатый гидросепаратор из труб малого диаметра

По такому же принципу некоторые умельцы вместо такой решетки устанавливают несколько секций старого ненужного радиатора отопления. Такое устройство вполне справится с функцией гидроразделителя. Правда, необходимо учитывать тот факт, что большие потери тепла неизбежны. Надо подумать о качественной теплоизоляции такой импровизированной гидрострелки.

Расчет стандартного гидравлического разделителя

Предлагаемые к продаже готовые гидроразделители рассчитаны на определенную мощность системы отопления. Но если принято решение изготовить самостоятельно эту, в принципе несложную конструкцию, важно рассчитать основные параметры – минимальный диаметр самой гидрострелки и диаметры входных патрубков. После этого, руководствуясь схемами, представленными выше, не составит труда нарисовать собственный рисунок.

Ниже будут представлены два варианта расчета гидроразделителя «классического» вертикального типа.

Расчет от мощности системы отопления

Это универсальная формула, описывающая зависимость расхода теплоносителя от суммарной потребности в тепловой мощности, теплоемкости теплоносителя и перепада температур в подающем и обратном трубопроводах

Q = Вт / (с × Δt)

Q – расход, л/час;

W — мощность системы отопления, кВт

в — теплоемкость теплоносителя (для воды — 4,19 кДж/кг×°С или 1,164 Вт×ч/кг×°С или 1,16 кВт/м³×°С)

Δt – разница температур между подачей и обраткой, °С.

При этом расход при движении жидкости по трубе равен:

Q=S×W

S – площадь поперечного сечения трубы, м²;

V – скорость потока, м/с.

S = Q / V = ​​Вт / (с × Δt × V)

Экспериментально доказано, что для оптимального перемешивания в гидросепараторе, качественного разделения воздуха и осаждения шлама скорость в нем должна быть не выше 0,1 — 0,2 м/с. Поскольку единицей измерения являются часы, умножаем на 3600 секунд. Получается 360 — 720 м/ч. Можно взять среднее значение — 540 м/ч

Если расчет производится для воды, можно ввести сразу несколько исходных значений для упрощения формулы

S = Вт / (1,16 × ∆t × 540) = Вт / (626 × ∆t)

После определения сечения легко определить нужный диаметр по формуле площади круга.

D = √ (4 × S / π) = 2 × √ (S / π)

Замените значения:

D = 2 × √ (Вт / (626 × Δt × π)) = 2 × √ (Вт / (1966 × Δt)) = 2 × 0,02255 × √(Вт/Δt)

= 0,0451 × √(Вт/Δt)

Так как значение будет получено в метрах, что не очень удобно, можно сразу перевести его в миллиметры, умножив на 1000.

В результате формула будет иметь следующий вид:

• D = 45,1 √(Вт/Δt) — при расходе в трубе гидрострелки 0,15 м/с.

Несложно рассчитать значения верхнего и нижнего пределов допустимого расхода:

• D = 55,2 √(Вт/Δt) — для скорости 0,1 м/с;
• D = 39,1 √(Вт/Δt) — для скорости 0,2 м/с.

После определения диаметра гидрострелки легко рассчитать диаметр входного и выходного патрубков.

Встроенный калькулятор ниже поможет вам быстро произвести расчеты:

Калькулятор расчета рекомендуемых параметров гидрострелки по мощности и разнице температур

Перейти к расчетам

Расчет параметров гидрострелки на основании производительности насосов

Есть и другой способ определения необходимых минимальных размеров гидроразделителя. При этом в качестве исходных значений будут приняты значения производительности насосов в котловом контуре и всех контурах отопления и, при наличии, горячего водоснабжения.

Как уже было понятно из описания принципа работы гидрострелки, основное назначение — не перегружать насосное оборудование котельной установки, обеспечивая при этом правильную подачу теплоносителя во всех контурах отопления. Так что на практике получается, что суммарная производительность всех насосных агрегатов всегда выше, чем у насоса, циркулирующего непосредственно через котел.

В самом «топовом» варианте, когда одновременно задействованы все насосы во всех контурах, суммарная производительность через гидравлическую стрелку мельницы равна разности:

Q = ∑Qот. – Ккат.

∑Кот. — суммарная производительность всех насосов на отопительных контурах и, при наличии, на бойлере косвенного нагрева, м³/ч

Qcat. — производительность циркуляционного насоса в малом контуре котла м³/час.

Вернемся к рассмотренным выше формулам.

S = Вт / (с × Δt × V)

Ток, как уже было показано выше, равен:

W = Q × c × Δt

Фонды,

S = (Q × с × Δt) / (с × Δt × V) = Q / V

Отсюда осталось совсем немного для определения диаметра:

D = √ (4 × S / π) = 2 × √ (Q / (π × V)) = 2 × √ ((∑Qrem – Qcat) / (π × V))

Уточнить посадочные характеристики установленного или планируемого к установке насосного оборудования несложно. Единственное, при расчетах не забудьте значение производительности привести к единому значению — м³/ч, а расход по гидравлической стрелке — к м/ч. Полученный результат остается перевести в миллиметры, умножив на 1000.

Можно сразу упростить формулу, введя константы и рекомендуемый расход, как в первом расчете. В результате получается следующее выражение:

При вертикальном расходе, равном:

• 0,1 м/с: D = 59,5 × √ (∑ Qот. — Qкот.)
• 0,15 м/с: D = 48,6 × √ (∑ Qот. — Qот.)
• 0,2 м/с: D = 42,1 × √ (∑ Qот. — Qкот.)

Эти коэффициенты включены в калькулятор ниже:

Калькулятор расчета параметров гидрострелки исходя из производительности насосов

Перейти к расчетам

Расчетные значения являются минимальными. Если диаметр больше, никаких проблем с этим не возникнет – от бесперебойной работы системы отопления только выиграет. Но сужение ниже расчетного значения недопустимо!

Естественно, что при покупке или самостоятельном изготовлении гидроразделителя ориентируются на стандартные диаметры труб, но только те, которые приведены по полученным результатам, обязательно в большую сторону.

Заключение

Подводя итоги публикации, он еще раз отметит основные преимущества системы отопления, оснащенной гидроразделителем:

• Чугунный теплообменник на медь получает надежную защиту от термоударов. Что продлевает срок службы котельного оборудования.
• Ассортимент насосов значительно упрощен. Для каждого контура модно покупать агрегат нужной мощности, и для этого не потребуется установка мощного насоса в контуре котла – гидравлическая стрелка полностью нивелирует этот дисбаланс.
• Поток теплоносителя через котел стабильный, т.е оборудование всегда работает в нормальном оптимальном режиме, без скачков давления и температуры.
• Вся система отопления в целом сбалансирована, все контуры независимы и существенно не влияют друг на друга.
• Можно будет удалить шлам и газы.

И напоследок — еще один видео-рассказ о важности гидрострелки в системе отопления:

Видео: Насколько важна гидрострелка в разветвлённой системе отопления?