2.1.1. ГЦТ, ГЦН

Главный циркуляционный контур ЯЭУ с ВВЭР-1000 состоит из реактора и четырех циркуляционных петель, шести петель для ВВЭР-440, трех петель для многих PWR на Западе (рис. 14). Каждая циркуляционная петля включает парогенератор, главный

циркуляционный насос и главные циркуляционные трубопроводы (ГЦТ), соединяющие оборудование петли с реактором. ГЦТ соединяют оборудование петель, создавая возможность циркуляции теплоносителя по замкнутому контуру.

Материал трубопровода -сталь 10ГН2МФА с плакировкой нержавеющей сталью внутренней поверхности. К главным циркуляционным трубопроводам подсоединяются трубопроводы системы компенсации давления и технологических систем (подпитки, продувки, дренажа, контура расхолаживания и т.д.). Для ограничения перемещений трубопроводов при аварийных разрывах предусмотрены аварийные опоры (ограничители).

Главный циркуляционный трубопровод (ГЦТ) обеспечивает нормальную эксплуатацию при воздействии нагрузок, вызванных различным по силе землетрясением, а также обеспечивает безопасный останов и расхолаживание при нагрузках, вызванных максимальным расчетным землетрясением. ГЦТ сохраняет работоспособность в условиях режима нарушения теплоотвода из герметичной оболочки и режима «малой течи». Каждая из четырех циркуляционных петель имеет два участка труб с внутренним диаметром 850 мм. Участки между выходными патрубками реактора и входными патрубками ПГ называются «горячими» нитками. Участки между выходными патрубками ПГ и входными патрубками реактора называются «холодными» нитками.

Размер внутреннего диаметра – 850 мм – выбран из условия обеспечения приемлемого гидравлического сопротивления главного циркуляционного контура. «Горячая» нитка петли под № 4 соединена соединительным трубопроводом 426х40 мм с компенсатором объема,. предназначенным для компенсации тепловых расширений теплоносителя без превышения давления выше номинального (160 атм.).

На рис. 14 помимо основных элементов, составляющих ГЦК, показаны некоторые технологические системы, которые связаны с этими элементами. Данными системами являются системы TH, RL,RA (станционные имена технологических систем, унифицированные для АЭС во всем мире). Система TH–это система планового расхолаживания ЯЭУ и одновременно выполняет функцию аварийной системы низкого давления для охлаждения реактора при потере теплоносителя в 1-м контуре и существенном снижении давления в ГЦК. RL–система подпитки питательной водой парогенераторов, RA–система паропроводов для подачи пара из ПГ на турбину.

Для осуществления технологического процесса при нормальных условиях эксплуатации и выполнения функций по обеспечению безопасности в аварийных режимах, а также для контроля за параметрами теплоносителя в главном циркуляционном контуре ГЦТ соединен со следующими вспомогательными системами:

Системой поддержания давления в первом контуре;

Системой планового расхолаживания;

Системой подпитки и продувки первого контура;

Системой аварийного впрыска бора;

Системой измерения параметров теплоносителя;

Системой дренажа.

Параметрами, характеризующими нормальное функционирование системы, являются температура теплоносителя в горячей и холодной нитках ГЦТ, а также разница указанных температур.

При нормальном функционировании ГЦТ номинальное давление стационарного режима составляет 15,7 МПа (160 кгс/см2). Плановый разогрев ГЦТ производился со скоростью не выше 20 °С/ч. Плановое расхолаживание ГЦТ производится со скоростью не выше 30 0 С/ч. Основные параметры ГЦТ для действующих АЭС с ВВЭР-1000 представлены в табл. 8.

Главный циркуляционный контур ЯЭУ для ранних проектов (проект В-187, проект В-338), кроме перечисленного выше оборудования, имеет также по две запорные задвижки ДУ-850 на каждой циркуляционной петле. Главные запорные задвижки (ГЗЗ) позволяют отключить, в случае необходимости, одну или две петли и эксплуатировать реакторную установку на остальных петлях с соответствующим снижением мощности.

Таблица 8.

Параметры ГЦТ

ГЗЗ устанавливаются на «горячей» и «холодной» нитках циркуляционных петель и управляются при помощи электропривода или вручную. Основное положение затвора задвижки - «открыто».

Циркуляционные петли ЯЭУ В-320 в отличие от ЯЭУ В-187, ЯЭУ В-302 и ЯЭУ В-338 не имеют запорных задвижек ДУ-850. Для создания циркуляции теплоносителя в первом контуре используется вертикальный насос центробежного типа с уплотнением вала (ГЦН-195) с трехфазным асинхронным электродвигателем.

Характеристики ГЦН-195:

Производительность насоса 20 000 м3/ч;

Напор насоса 6,75 + 0,25 кг/см2;

Мощность на валу при рабочих параметрах 5300 кВт;

Число оборотов ротора 1000 об./мин.

Нормальное функционирование системы ГЦН основывается на режиме длительной параллельной работы в контуре четырех ГЦН при нормальных параметрах теплоносителя ЯЭУ В-1000. Допускается:

Длительная работа одного и параллельная работа двух и трех ГЦН в контуре при номинальных параметрах теплоносителя;

Работа одного, двух, трех и четырех ГЦН в контуре при изменении параметров теплоносителя в переходных режимах (разогрев, расхолаживание) при температуре от 20 до 300 °С на входе в насос, давлении от 0,98 (10) до 17,6 (180) МПа (кгс/см2);

Работа одного, двух, трех и четырех ГЦН в контуре на холодном теплоносителе и в режиме дезактивации при температуре 20-100 °C;

Стоянка в режиме холодного и горячего резерва без ограничения времени при условии подачи запирающей и охлаждающей воды промежуточного контура и работы насоса аварийной системы запирающей воды.

При отказах в системах АЭС, сопровождающихся обесточиванием ГЦН, обеспечивается выбег ГЦН для исключения кризиса теплообмена в активной зоне реактора. При отказах в системах АЭС, сопровождающихся обесточиванием, обеспечивается спад расхода теплоносителя не ниже значений, указанных в табл. 9. В этой таблице приведены данные по гидравлической характеристике ГЦН при выбеге насоса и его останове.

Таблица 9.

Необходимо отметить, что выбег насоса при различном количестве работающих насосов существенно может отличаться друг от друга. Минимальный выбег насоса происходит при трех работающих насосах. Качественно это объясняется тем, что в этом случае наблюдается максимальное противодавление движению теплоносителя через остановленный насос в реакторе. Максимальный выбег насоса происходит при трех остановленных до этого насосах, так как в этом случае нет никакого противодавления с их стороны.

В реакторной установке В-320 используется серийный модернизированный реактор ВВЭР-1000. Понятие «модернизация» по отношению к серийному реактору ВВЭР-1000 заключается в том, что в проект реактора были внесены изменения, которые учитывали специфику работы реактора в составе ГЦК, в котором нет ГЗЗ, но применены ГЦН, разработанные для ГЦК с ГЗЗ. Поэтому, с учетом напорной характеристики ГЦН, в модернизированном серийном реакторе ВВЭР-1000 было увеличено гидравлическое сопротивление тракта в основном за счет уменьшения проходного сечения отверстий в днище внутрикорпусной шахты. В последующее был разработан новый ГЦН-195М и с учетом опыта эксплуатации ГЦН-195 был доработан в следующих направлениях:

Достигнута максимальная герметизация насоса, создано механическое уплотнение вала с минимальными протечками, т.е. реконструирован узел, во многом определяющий надежность и безопасность работы ГЦН и АЭС в целом;

Достигнуто снижение зависимости насоса от влияния обслуживающих систем АЭС, т.е. обеспечена автономность ГЦН;

Повышена пожарная безопасность ГЦН путем замены горючих масел на воду в системе смазки подшипников насоса и электродвигателя;

Обеспечена целостность и работоспособность насоса в горячем контуре без подачи охлаждающей воды при длительном обесточивании АЭС;

Созданы и внедрены диагностические средства, обеспечивающие качественный контроль ГЦН и его систем и возможность определения остаточного ресурса.

2.1.2. Реактор

Реактор предназначен для выработки тепловой энергии в составе реакторной установки АЭС. Реактор ВВЭР-1000 является водоводяным энергетическим реактором корпусного типа. Теплоносителем и замедлителем в реакторе является химически обессоленная

вода с борной кислотой, концентрация которой изменяется в процессе эксплуатации. При прохождении через ТВС теплоноситель нагревается за счет реакции деления ядерного топлива. Теплоноситель принудительно поступает в реактор через четыре входных

патрубка корпуса (три – на некоторых западных АЭС с PWR,шесть – на АЭС с ВВЭР-440), проходит по кольцевому зазору между корпусом и внутрикорпусной шахтой, через перфорированное эллиптическое днище и опорные трубы шахты и входит в ТВС.

Из ТВС через перфорированную нижнюю плиту блока защитных труб (БЗТ) теплоноситель выходит в межтрубное пространство БЗТ, в кольцевой зазор между шахтой и корпусом и через четыре выходных патрубка (три, шесть) корпуса выходит из реактора.

Активная зона ВВЭР-1000 набирается из тепловыделяющих сборок (ТВС) шестигранной формы на гексагональной сетке с постоянным шагом порядка 200-240 мм (для PWR из квадратных ТВС на квадратной сетке). Число ТВС в зоне определяется их размером и мощностью реактора, а также транспортабельными свойствами корпусного оборудования по железной дороге в нашей стране. При формировании облика активной зоны главным является определение размеров и материального состава тепловыделяющей сборки (ТВС) и твэлов в ней. Максимальный размер ТВС ограничен требованиями по ядерной безопасности по недопустимости возникновения критической массы в одной ТВС, а минимальный – экономическими соображениями (чем крупнее ТВС, тем дешевле активная зона). В ходе различных исследований для реактора ВВЭР-1000 была выбрана ТВС с шагом под ключ на гексагональной сетке, равным 234 мм (в западных аналогах шаг под ключ на квадратной сетке равен величине порядка 205 мм). Для реактора

ВВЭР-1000 достаточно 163 таких ТВС.

ТВС для ВВЭР в общем случае состоит из регулярной решетки твэлов, часть из которых заменена на нетопливные элементы, которыми могут быть трубки под поглощающий элемент органа СУЗ или стержни с выгорающим поглотителем. На рис.3 показаны схематически основные элементы ТВС.

Рис.3 Схематическое изображение основных элеменов ТВС

На рис. 4 показаны конфигурации активной зоны и ТВС ВВЭР-1000. Ниже при рассмотрении конструктивных характеристик активной зоны реактора ВВЭР-1000 для сравнения приводятся и характеристики активной зоны реактора PWR (на примере АЭС Гёсген).

Рис. 4. Схематическое изображение расстановки ТВС в активной зоне и ТВЭЛ в ТВС ВВЭР-1000

В табл. 1 помещены основные данные по конструкции активной зоны реактора ВВЭР-1000 и реактора PWR (для АЭС Гёсген).

В реакторе ВВЭР-1000 ТВС представляет собой конструкцию, собранную из тепловыделяющих и других конструкционных элементов, расположенных на гексагональной сетке с постоянным потвэльным шагом (рис. 4).

В наиболее напряженных ТВС для выравнивания потвэльного энерговыделения применяется профилирование обогащения топлива, заключающееся в размещении по периметру ТВС около 66 твэлов с более низким обогащением, чем у остальных твэлов (рис. 5).

Таблица 1.

Профилирование уменьшает потвэльное энерговыделение на стыке между периферийным рядом ТВС и следующим рядом в активной зоне и повышает теплотехническую безопасность активной зоны.

Рис. 5. Схематическое изображение ТВС ВВЭР-1000 и ее отдельных фрагментов

Данное профилирование уменьшает потвэльное энерговыделение на стыке между периферийным рядом ТВС и следующим рядом в активной зоне и повышает теплотехническую безопасность активной зоны. В табл. 2 и 3 приведены характеристики ТВС и ТВЭЛ для ВВЭР-1000 и PWR.

Таблица 2

Примечание: 3530(3550) – длина в холодном состоянии, 3550(3564) – длина в горячем состоянии, сталь (цирконий) – сталь в прошлом, цирконий в настоящее время, 14 решеток в прошлом, 12 – в настоящем.

Таблица 3

Выбор приведенных размеров и материального состава ТВС и твэлов был осуществлен в результате большого количества расчётно-экспериментальных исследований по оптимизации топливного цикла ВВЭР и обеспечению требований правил ядерной безопасности по коэффициентам реактивности в различных состояниях активной зоны и сохранению её теплотехнической надежности. Нужно сказать, что в России для водно-водяных реакторов применяются только два типа твэлов: с диаметром 9.1 (ТВЭЛ ВВЭР) и диаметром 13.6 (ТВЭЛ РБМК).

Второй тип используется в реакторах АСТ и в канальных графитовых реакторах Он обладает лучшей экономичностью при малых обогащениях. Размеры ТВС изменялись следующим образом:

Тенденция изменения размеров ТВС ясна. Главная причина уменьшение стоимости активной зоны и повышение надежности ее изготовления и монтажа. На Западе для реакторов типа PWR используется ТВЭЛ размером ∼10 мм и квадратные ТВС размером порядка 200 мм.

Обращает на себя внимание некоторые отличия в конструкции активных зон реакторов PWR и ВВЭР. В западных реакторах данного типа, как правило, не применяется никаких твердых поглотителей в составе ТВС для компенсации начальной реактивности. Обогащение топлива подпитки у них несколько меньше, чем в наших реакторах при той же примерно энерговыработке. Это достигается за счет отсутствия «борных хвостов» (нет СВП) и высоких коэффициентов неравномерности энерговыделения по ТВС в центре зоны (ниже приводятся их и наши коэффициенты неравномерности). При этом ухудшается теплотехническая надежность активной зоны, но несколько лучше экономичность использования топлива.

В табл. 4 приведены характеристики поглощающего элемента в составе органов механической СУЗ. В наших реакторах основным материалом поглощающего элемента является карбид бора.

На Западе применяется серебро, индий и кадмий. Данные материалы более эффективны как поглотители, но они намного дороже карбида бора. В настоящее время проводится модернизация поглощающего элемента и замена старого на новый элемент на действующих АЭС с ВВЭР-1000 и на вновь строящихся. Об этом подробней будет рассказано ниже.

Таблица 4.

Для получения представления о том, какие выгорающие поглотители использовались раньше и используются сейчас в первых топливных загрузках при первом пуске энергоблоков,

в табл. 5 приводятся данные по этим элементам. В этой же таблице приведены данные по центральной трубке, предназначенной помимо всего прочего для размещения канала нейтронного измерения (КНИ).

В новых проектах ВВЭР в рамках программы АЭС-2006 предусматривается размещать канал нейтронного измерения не в центральной трубке, а ближе к периферии ТВС, так как нейтронный поток в этой области ТВС дает более достоверную информацию о среднем потоке в тепловыделяющей сборке.

Помимо того, что активная зона предназначена для генерации тепла и его передачи с поверхности тепловыделяющих элементов теплоносителю первого контура, она обеспечивает выполнение следующих требований в области безопасности АЭС:

Таблица 5.

Непревышение допустимых пределов повреждения оболочек твэл в ТВС в пределах проектного срока службы;

Поддержание требуемой геометрии и положения твэл в ТВС и ТВС в реакторе;

Возможность осевого и радиального расширения ТВЭЛ и ТВС при температурных и радиационных воздействиях, разности давлений, взаимодействия топливных таблеток с оболочкой;

Прочность при воздействии механических нагрузок в проектных режимах;

Вибрационная стойкость при воздействии потока теплоносителя с учетом перепада и пульсации давления, нестабильности потока, вибраций;

Стойкость материалов против коррозионных, электрохимических, тепловых, механических и радиационных воздействий;

Непревышение проектных значений температуры топлива и оболочки;

Отсутствие кризиса теплообмена в постулированных проектом режимах;

Стойкость СУЗ в пределах проектного ресурса от воздействия нейтронного потока, температуры, перепада и изменения давления, износа и ударов, связанных с перемещениями;

Возможность размещения внутри ТВС контролирующих датчиков;

Взаимозаменяемость ТВС со свежим топливом, ТВС с частично выгоревшим топливом и ПС СУЗ путем унификации установочных размеров;

Предотвращение плавления топлива;

Сведение к минимуму реакции между металлом и водой;

Перевод активной зоны в подкритическое состояние, его поддержание в пределах, определенных проектом;

Возможность послеаварийного расхолаживания активной зоны.

Необходимо отметить, что в ходе эксплуатации было замечено явление азимутального скручивания ТВС, при котором сборки могли застрять в зоне, а ПЭЛ при движении органа СУЗ – в трубках с водой. Скручивание приводило к ухудшению прочностных и нейтронно-физических характеристик зоны.

Для устранения этого дефекта была предложена новая конструкция ТВСА (ОКБМ Нижний Новгород) с циркониевыми уголками жесткости, установленными по всей длине ТВС. На рис. 6 и 7 приведены схематические изображения старой и новой конструкции ТВС. Данные ТВС в настоящее время проходят опытную эксплуатацию на КлнАЭС. Первые результаты говорят о том, что данная конструкция не только уменьшает существенно изгиб новых ТВС, но и выправляет изгиб старых ТВС в зоне (коллективный эффект).

Альтернативным решением является конструкция ТВС-2 (ОКБ «Гидропресс», Главный конструктор ВВЭР), в которой центральная трубка и дистанционирующие решетки стали силовым элементом для решетки твэл. Размер дистанционирующих решеток увеличен, и они стали выполнять аналогичную роль, что и уголки в ТВСА.

По мере эксплуатации ВВЭР-1000 была произведена модернизация ТВС за счет замены стальных направляющих под ПЭЛ и дистанционирующих решеток на циркониевые решетки с небольшими добавками для улучшения их прочностных характеристик.

2.1.3. Парогенератор

Парогенератор (ПГ) как элемент оборудования входит в состав 1-го и 2-го контуров и предназначен для отвода тепла от теплоносителя первого контура и генерации сухого насыщенного пара.

Парогенератор является горизонтальным однокорпусным, с погруженной поверхностью теплообмена из горизонтально расположенных труб.

Парогенератор состоит из следующих основных узлов:

Корпуса;

Устройства раздачи основной питательной воды;

Устройства раздачи аварийной питательной воды;

Теплопередающей поверхности и коллекторов первого контура;

Сепарационного устройства;

Устройства выравнивания паровой нагрузки;

Опорных конструкций;

Уравнительных сосудов;

Гидроамортизаторов.

Корпус парогенератора является составной частью парогенератора и предназначен для размещения внутрикорпусных устройств и трубного пучка с коллекторами первого контура. Корпус воспринимает проектное давление второго контура, равное 7.84 МПа

(80 кГс/см2). Парогенератор в боксе установлен на две опорные конструкции. В каждой опорной конструкции имеется 2-ярусная роликовая опора, которая обеспечивает перемещение парогенератора при термическом расширении трубопроводов ГЦК в продольном направлении +80 мм, в поперечном – + 98 мм.

На рис. 17 и 18 показаны продольный и поперечный разрезы ПГ. На этих рисунках помечены следующие элементы:

1) люк-лаз внутренней полости;

2) точки крепления уравнительных сосудов (уровнемеров) или датчиков температуры;

3) контроль плотности разъема коллектора по 1-му контуру;

4) контроль плотности разъема по 2-му контуру;

5) уплотняющие фланцы (крышка с уплотнением);

6) патрубки отвода пара;

7) паровой коллектор;

8) устройство раздачи питательной воды;

9) коллектор раздачи аварийной питательной воды;

10) продувка ПГ;

11) погруженный дырчатый лист;

12) теплообменные трубы;

13) «холодный» коллектор;

14) «горячий» коллектор;

15) дренажный патрубок Dy 100;

16) патрубок продувки Dy 80;

17) вход питательной воды;

18) выход теплоносителя;

19) вход теплоносителя.

Опорная конструкция рассчитана на восприятие одновременного действия вертикальной составляющей нагрузки и реактивного усилия, возникающего в аварийной ситуации при поперечном разрыве трубопровода Ду-850 главного циркуляционного контура на вертикальном участке у парогенератора. При аварийной ситуации с разрывом трубопровода Ду-850 на горизонтальном участке реактивное усилие не действует на парогенератор, а полностью воспринимается аварийными опорами трубопроводов.

При нормальном функционировании парогенератора скорость разогрева не более 20 °С/ч. Уровень воды в парогенераторе при разогреве 3700 мм. Снижение уровня до номинального (320+50) мм разрешается после повышения температуры воды в парогенераторе до величины в регламентируемых пределах (100-200 °С) при

наличии кипения в парогенераторе.

При работе парогенератора на номинальной мощности выполняются следующие требования:

Автоматически поддерживается давление пара в парогенераторе (6,27+0,19) МПа;

Влажность пара на выходе из парогенератора не более 0,2 %

Автоматически поддерживается номинальный уровень воды в парогенераторе (320+50) мм;

Обеспечивается контроль за плотностью разъемов по 1 и 2 контуру;

Обеспечивается водно-химический режим.

Для поддержания водно-химического режима обеспечивается непрерывная продувка каждого парогенератора расходом 0,5 % его паровой производительности и периодическая продувка расходом 0,5 % общей паровой производительности не менее 0,5 ч в сутки в стационарном режиме. При переходных режимах эксплуатации

блока продувка парогенератора поддерживается на максимально возможном уровне (не менее 1 %) до достижения нормируемых показателей качества рабочей среды.

При работе на номинальной мощности температура питательной воды парогенератора составляет величину, равную 220° (±5°). Допускается длительная работа при отключенных подогревателей высокого давления (ПВД), когда температура питательной воды равна 164 °С (±4 °С). При изменении нагрузки в диапазоне (30-100)%N ном допускается работа парогенератора при постоянной температуре питательной воды с отклонениями +5 °С в интервале (225 –160 °С). Допускается резкое изменение температуры питательной воды с 220 до 164 °С. Количество циклов за ресурс не более 1000.

При плановом останове парогенератора давление по II контуру и уровень поддерживаются номинальными до момента отключения парогенератора от потребителя. Скорость планового расхолаживания парогенератора не превышает 30 °С/ч. Допускается плановое расхолаживание со скоростью 60 °С/ч (30 циклов за весь период эксплуатации)

Главный вывод из предыдущих абзацев состоит в том, что современный врач владеет множеством высокоэффективных способов лечения кишечных инфекций

Главный критерий общественного прогресса в технократических концепциях

Главный недостаток недискреционной политики в том, что она только помогает сглаживать циклические колебания, но не может их устранять

Использование: в струйной технике. Сущность изобретения: устройство отвода тепла подключено трубопроводами /ТП/ подачи и возврата жидкости соответственно к выходу пароструйного инжектора и его патрубку подвода пассивной среды. Адиабатный испаритель установлен на ТП возврата жидкости. Инжектор пускоразгрузочным ТП подключен к водосборнику. Поплавок размещен в водосборнике и жестко соединен с обратным клапаном /ОК/, установленным на конце пускоразгрузочного ТП. ТП подачи жидкости на выходе инжектора снабжен ОК. Испаритель снабжен ОК и подключен через него к пускоразгрузочному ТП. ТП возврата жидкости на участке между инжектором и испарителем снабжен ОК. ТП подпитки подключен к ТП возврата на участке между инжектором и ОК. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к струйной технике и может быть использовано в технологиях, связанных с подводом и отводом тепла при циркуляции жидкости по замкнутому контуру, например, в системах водяного отопления, пастеризации пищевых продуктов и т.п. Известны аналогичные системы , в которых циркуляция жидкости в контуре осуществляется электронасосами, а отвод и подвод тепла - поверхностными теплообменниками. Недостатками аналогичных систем являются: невозможность использования тепловой энергии источника тепла для создания напора для циркуляции, использование механических устройств для создания циркуляции жидкости в контуре. Известна система , позволяющая использовать в качестве источника энергии для циркуляции жидкости по замкнутому контуру энергию пара, отбираемого от горячей жидкости перед поступлением к теплопотребителю. Недостатком такой системы нагрева и транспортирования жидкости являются: малая эффективность использования для создания циркуляции низкопотенциального пара (при адиабатном вскипании горячей жидкости с температурой 95 о С генерируется пар с давлением ниже атмосферного на 50 кПа). При таких низких давлениях пара и при обычной, например для замкнутых контуров отопления, температуре воды ("холодной"), возвращаемой от потребителя тепла к источнику тепла, около 70 о С, работа пароструйных аппаратов становится неустойчивой. К недостаткам этой системы следует отнести необходимость увеличения расхода горячей жидкости, т.к. до потребителя тепла часть тепловой энергии жидкости будет использована для получения пара, а также невозможность превратить в контуре непосредственно часть тепловой энергии подводимой в поверхностном теплообменнике в механическую энергию движения жидкости. Для запуска этой системы необходим сторонний побудитель циркуляции жидкости. Наиболее близким аналогом является система , в которой энергия пара в паровом инжекторе обеспечивает принудительное движение - циркуляцию жидкости в танке, совмещая нагрев жидкости и создание напора для ее циркуляции. Предусмотренное системой наличие поплавкового регулятора на линии подпитки воды обеспечивает постоянство уровня жидкости в танке. Недостатками прототипа являются: паровой инжектор обеспечивает нагрев жидкости и создает напор для циркуляции жидкости в танке и не обеспечивает циркуляцию нагретой жидкости к потребителю и ее возврат; при высокой температуре жидкости в танке возможна неполная конденсация пара, что обусловит появление дополнительных энергетических потерь; так как нагрев жидкости осуществляется в объеме танка за счет многократной циркуляции жидкости через паровой инжектор, то всегда будет иметь место определенная неравномерность температуры жидкости по объему танка и следовательно температуры жидкости, направляемой к потребителю; для циркуляции нагретой жидкости к потребителю необходимо расположение танка на большей относительно потребителя высоте ("гравитационная" циркуляция предусмотрена в аналоге) либо устанавливать электронасосы; с увеличением производительности системы (расхода нагретой жидкости к потребителю) для сохранения допустимой неравномерности нагрева необходимо увеличивать объем танка; система имеет значительную тепловую инерционность, обусловленную процессами нагрева жидкости в объеме танка. Для ликвидации перечисленных недостатков необходимо: использовать энергию пара одновременно для нагрева жидкости и для транспортирования ее к потребителю и обратно по замкнутому контуру. Это позволит повысить надежность и экономичность работы системы в целом; понизить температуру жидкости, возвращаемой от теплопотребителя перед поступлением на вход пароструйного аппарата, что повысит надежность и устойчивость циркуляции; уменьшить тепловую инерционность системы. Сущность изобретения заключается в том, что подвод тепла и создание напора для циркуляции жидкости к потребителю тепла и обратно осуществляется в пароструйном инжекторе, в котором энергия пара используется одновременно для нагрева жидкости и создания напора для циркуляции в замкнутом контуре. Предлагаемая система содержит трубопровод подпитки, трубопровод подачи активной (паровой) среды, пароструйный инжектор и устройство отвода тепла, подключенное посредством трубопроводов подачи и возврата жидкости соответственно к выходу инжектора и его патрубку подвода пассивной среды, адиабатный испаритель, водосборник, пускоразгрузочный трубопровод с обратным клапаном и поплавком, при этом адиабатный испаритель установлен на трубопроводе возврата жидкости, инжектор посредством пускоразгрузочного трубопровода подключен к водосборнику, поплавок размещен в последнем и жестко соединен с обратным клапаном, установленным на конце пускоразгрузочного трубопровода, трубопровод подачи жидкости на выходе инжектора снабжен обратным клапаном, адиабатный испаритель снабжен обратным клапаном и подключен через последний к пускоразгрузочному трубопроводу, трубопровод возврата жидкости на участке между инжектором и испарителем снабжен обратным клапаном, а трубопровод подпитки подключен к трубопроводу возврата на участке между инжектором и обратным клапаном. Для систем с высокой температурой возвращаемой от потребителя тепла пассивной среды дополнительно система снабжена пароструйным эжектором, установленным на трубопроводе подачи активной среды перед инжектором, при этом патрубок подвода пассивной среды эжектора через обратный клапан подключен к адиабатному испарителю. Устойчивость работы предлагаемой системы обеспечивается понижением температуры жидкости на входе в инжектор, оснащением системы предохранительным клапаном (устройством ограничения давления жидкости в системе циркуляции), а также системой подпитки контура циркуляции, используемой при заполнении замкнутого контура жидкостью, пуске системы и при ограниченной разгерметизации контура. Для повышения надежности пуска замкнутая система циркуляции жидкости оснащается обратными клапанами на выходе нагретой жидкости из пароструйного аппарата, на выходе пара из адиабатного испарителя и между зоной сверхзвукового двухфазного течения в пароструйном аппарате и атмосферой. При этом повышение экономичности пуска системы и устранение возможности подсоса воздуха в контур циркуляции жидкости осуществляется за счет того, что обратный клапан на линии связи зоны сверхзвукового двухфазного потока пароструйного аппарата с атмосферой помещается под уровень жидкости в дополнительную емкость, в которой известными способами автоматически обеспечивается минимально допустимый уровень жидкости. При температурах жидкости на выходе из устройств отвода тепла до 70 о С достаточен отсос пара из адиабатного испарителя в инжектор, при этом будет обеспечиваться поддержание глубокого вакуума в испарителе и, следовательно, достаточного охлаждения жидкости в испарителе. При температурах жидкости на выходе более 70 о С для обеспечения более глубокого охлаждения жидкости отсос паров из испарителя дополнительно осуществляется пароструйным эжектором, установленным на паропроводе перед инжектором. Указанная сущность представлена на чертеже. Система включает трубопровод подачи активной среды (пара) 1, соединенный через вентиль 2 с пароструйным инжектором 3 непосредственно или через пароструйный эжектор 4 с патрубком 5. Выход из пароструйного инжектора 3 соединен трубопроводом подачи нагретой жидкости 6 с устройством отвода тепла 7 и на этом трубопроводе установлен обратный клапан 8. Выход жидкости из устройства 7 соединен трубопроводом возврата 9 с патрубком 10 инжектора 3, образуя таким образом замкнутый контур циркуляции. На трубопроводе возврата 9 после вентиля 11 размещен адиабатный испаритель 12, который трубопроводами с обратными клапанами 13, 14, 15 соединен соответственно с инжектором 3, эжектором 4 и пускоразгрузочным трубопроводом 16, соединяющим патрубок 17 инжектора 3 с водосборником 18 через обратный клапан 19, соединенный с поплавком 20. К трубопроводу возврата 9 между инжектором 3 и обратным клапаном 15 подсоединен трубопровод подпитки 21 системы с вентилем 22. На трубопроводе возврата 9 между устройством отвода тепла 7 и вентилем 11 установлен предохранительный клапан 23. На чертеже условно показаны зона I - зона сверхзвукового течения в эжекторе 4 и зона II - зона сверхзвукового двухфазного течения в инжекторе 3. При относительно невысоких температурах жидкости на выходе из устройства отвода тепла 7 (не выше 70 о С) можно упростить приведенную на чертеже систему, а именно исключить из системы пароструйный эжектор 4 и трубопровод с обратным клапаном 14, соединяющий эжектор с испарителем 12. Система при этом работает следующим образом. Для заполнения обезвоженной системы открывают вентиль 22 и по трубопроводу подпитки 21 вода под давлением через патрубок 10 поступает в пароструйный инжектор 3, оттуда через патрубок 17 по пускоразгрузочному трубопроводу 16 в водосборник 18, при этом всплывающий при повышении уровня поплавок 20 оказывает усилие на открытие обратного клапана 19. При закрытом вентиле 11 открывают вентиль 2 и по трубопроводу подачи активной среды 1 подают пар в пароструйный инжектор 3. Уже при минимальной подаче пара в инжекторе 3 формируется сверхзвуковая газожидкостная зона течения II, в которой в связи с большими скоростями течения создается вакуум. На выходе из зоны II в сверхзвуковом газожидкостном потоке происходит переход в дозвуковое течение жидкости в скачке давления с полной конденсацией пара в потоке, при этом за счет энергии пара происходит нагрев жидкости и создается напор для транспортирования потока дальше, вызывающий открытие обратного клапана 8 и заполнение всей системы до вентиля 11. Так как пускоразгрузочный трубопровод 16 оказывается при этом сообщенным с вакуумированной зоной II инжектора 3, то через принудительно открытый всплывшим при поступлении жидкости в водосборник 18 поплавком 20, обратный клапан 19 жидкость из водосборника 18 отсасывается в систему до тех пор, пока из-за падения уровня воды не прекратится воздействие поплавка 20 на клапан 19. Заполнение системы жидкостью прекратится, когда увеличение давления в системе приводит к открытию настроенного на определенное давление срабатывания предохранительного клапана 23 и жидкость из системы будет отводиться, например, в предназначенную для сбора емкость. Открывая вентиль 22 и закрывая вентиль 11, включают в работу адиабатный испаритель 12, при этом образовавшийся в испарителе пар, как пассивная для создания циркуляции среда, будет отсасываться через обратный клапан 13, трубопровод 16 и патрубок 17 в устройство 3 с последующей конденсацией в скачке давления. Охлажденная за счет адиабатного вскипания жидкость через обратный клапан 15 и трубопровод 9 подается в патрубок 10 инжектора 3. Это понижение температуры жидкости делает возможным сохранение сверхзвукового газожидкостного потока II в зоне II инжектора 3. Степень нагрева жидкости в устройстве и максимально достижимый напор для циркуляции нагретой жидкости зависит от давления пара перед инжектором 3 и регулируется вентилем 2. При наличии неплотности в контуре можно временно вентилем 22 обеспечивать подпитку системы. Роль предохранительного клапана 23 могут выполнить также и часто используемые в системах отопления расширительные баки, располагаемые на достаточной высоте. При высоких (более 70 о С) температурах жидкости в трубопроводе возврата 9 на выходе из устройства отвода тепла 7 возникает необходимость более глубокого охлаждения жидкости, поступающей в патрубок 10 инжектора 3. Это требует более интенсивного вскипания жидкости в испарителе 12 и увеличения количества пара, отводимого из испарителя. В этом случае необходимо дополнительное устройство - пароструйный эжектор 4 для отсосов паров из испарителя 12 и кроме процессов в системе, описанных выше, дополнительно будут происходить следующие процессы. При открытии вентиля 2 и подаче достаточного для работы эжектора 4 пара создается вакуумированная зона сверхзвукового течения пара 1, в которую по трубопроводу через открывающийся за счет вакуума в зоне 1 обратный клапан 14 отсасываются образовавшиеся в испарителе 12 пары, которые при этом являются пассивной средой относительно активной - пара, поступающего через вентиль 2. К инжектору 3 через вентиль 22 подается подпиточная вода с температурой не выше 40 о С и давлением не ниже 50 кПа. Вода поступает по трубопроводу 16 в водосборник 18. При открытии парового вентиля 2 и поднятия давления пара перед инжектором 3 до 100 кПа возникает сверхзвуковая зона II в инжекторе 3 и открывается обратный клапан 8, жидкость из трубопровода подпитки 21 и водосборника 18 поступает в трубопровод подачи 6, заполняя систему. Вентилем 2 увеличивают подачу пара с тем, чтобы увеличить температуру жидкости на выходе из инжектора 3 до значения близкого к номинальному - 95 о С. При давлении пара перед устройством равным 300 кПа будет достигнута эта температура. При этом в зоне I инжектора 4 создается вакуум 90 кПа. После заполнения системы и поднятия в ней давления жидкости перед предохранительным клапаном до 150 кПа, клапан открывается и начинается отвод избытка жидкости из системы. При открытии вентиля 11 жидкость из устройства для отвода тепла 7 поступает в испаритель 12, где осуществляется ее вскипание и температура ее на выходе из испарителя к инжектору 3 снизится с 75 о С до 45 о С, при этом за счет отсоса паров в эжектор 4 и через пускоразгрузочный трубопровод 16 в инжектор 3 будет поддерживаться вакуум в испарителе 90 кПа. После закрытия вентиля 22 положением вентиля 2 поддерживают температуру нагретой жидкости перед устройством отвода тепла 7 равным 95 о С. Предлагаемая система позволяет повысить надежность и экономичность работы системы за счет использования тепловой энергии пара одновременно для нагрева и создания напора для циркуляции жидкости в замкнутом контуре к потребителю тепла и обратно, исключив применение для этих целей механических устройств, металлоемких теплообменников. Повышается надежность и устойчивость циркуляции жидкости в контуре, т.к. с помощью адиабатного испарителя понижается температура жидкости, поступающей в пароструйный инжектор при создании напора циркуляции. Созданы возможности простого и надежного пуска системы без использования специальных для этого устройств (побудителей циркуляции).

Формула изобретения

1. СИСТЕМА НАГРЕВА И ТРАНСПОРТИРОВАНИЯ ЖИДКОСТИ В ЗАМКНУТОМ КОНТУРЕ ЦИРКУЛЯЦИИ, содержащая трубопровод подпитки, трубопровод подачи активной среды, пароструйный инжектор и устройство отвода тепла, подключенное посредством трубопроводов подачи и возврата жидкости соответственно к выходу инжектора и его патрубку подвода пассивной среды, отличающаяся тем, что система дополнительно снабжена адиабатным испарителем, водосборником и пускоразгрузочным трубопроводом с обратным клапаном и поплавком, при этом адиабатный испаритель установлен на трубопроводе возврата жидкости, инжектор посредством пускоразгрузочного трубопровода подключен к водосборнику, поплавок размещен в последнем и жестко соединен с обратным клапаном, установленным на конце пускоразгрузочного трубопровода, трубопровод подачи жидкости на выходе инжектора снабжен обратным клапаном, адиабатный испаритель снабжен обратным клапаном и подключен через последний к пускоразгрузочному трубопроводу, трубопровод возврата жидкости на участке между инжектором и испарителем снабжен обратным клапаном, а трубопровод подпитки подключен к трубопроводу возврата на участке между инжектором и обратным клапаном. 2. Система по п.1, отличающаяся тем, что система дополнительно снабжена пароструйным эжектором, установленным на трубопроводе подачи активной среды перед инжектором, при этом патрубок подвода пассивной среды эжектора через обратный клапан подключен к адиабатному испарителю.

Как уже неоднократно упоминалось, главным недостатком системы отопления с естественной циркуляцией теплоносителя является низкий циркуляционный напор (особенно в квартирной системе) и вследствие этого увеличенный диаметр труб. Достаточно слегка ошибиться с выбором диаметров труб и теплоноситель уже «зажат» и не может преодолеть гидравлического сопротивления. «Разжать» систему можно без каких-либо значительных переделок: включить в нее циркуляционный насос (рис. 12) и перенести расширительный бачок с подачи на обратку. Следует заметить, что перенос расширителя на обратку не всегда обязателен. При простой переделке несложной отопительной системы, например, квартирной, бачок можно оставить там, где он стоял. При правильной реконструкции или устройстве новой системы бачок переносится на обратку и заменяется с открытого на закрытый.

Рис. 12. Циркуляционный насос

Какой мощности должен быть циркуляционный насос, как и куда его устанавливать?

Циркуляционные насосы для бытовых систем отопления имеют низкое потребление электроэнергии - около 60–100 ватт, то есть как обычная лампочка, они не поднимают воду, а лишь помогают ей преодолеть местные сопротивления в трубах. Эти насосы можно сравнить с движителем (винтом) корабля: винт толкает воду и обеспечивает продвижение судна, но при этом воды в океане не убавляется и не прибавляется, то есть общий баланс воды остается прежним. Циркуляционный насос, закрепленный к трубопроводу, толкает воду, но сколько бы он ее не вытолкнул, с другой стороны к нему поступает такое же количество воды, то есть опасения, что насос вытолкнет теплоноситель через открытый расширитель напрасны: система отопления, это замкнутый контур и количество воды в нем постоянное. Помимо циркуляционных в централизованные системы могут быть включены повысительные насосы, которые повышают давление и способны поднимать воду, их собственно и нужно называть насосами, а циркуляционные, в переводе на общепонятный язык, и насосами-то назвать трудно - так… вентиляторы. Сколько бы не гонял обычный бытовой вентилятор воздух по квартире, все на что он способен, это создать ветерок (циркуляцию воздуха), но не способен изменить атмосферное давление даже в наглухо закрытом помещении.

В результате применения циркуляционного насоса значительно увеличивается радиус действия отопительной системы, сокращаются диаметры трубопроводов и создается возможность присоединения систем к котлам с повышенными параметрами теплоносителя. Чтобы обеспечить бесшумную работу водяной системы отопления с насосной циркуляцией, скорость движения теплоносителя не должна превышать: в трубопроводах, прокладываемых в основных помещениях жилых зданий, при условных проходах труб 10, 15 и 20 мм и более соответственно 1,5; 1,2 и 1 м /с; в трубопроводах, прокладываемых в вспомогательных помещениях жилых зданий - 1,5 м /с; в трубопроводах, прокладываемых в вспомогательных зданиях - 2 м /с.

Для обеспечения бесшумности системы и доставки ею требуемого объема теплоносителя необходимо произвести небольшой расчет. Мы уже знаем, как ориентировочно определить требуемую мощность котла (в киловаттах), исходя из площади отапливаемых помещений. Оптимальный расход воды, проходящий через котел, рекомендованный многими фирмами-изготовителями котельного оборудования, рассчитывается по простой эмпирической формуле: Q=P, где Q - расход теплоносителя через котел, л/мин; Р - мощность котла, кВт. Например, для котла мощностью 30 кВт расход воды составляет примерно 30 л/мин. Для определения расхода теплоносителя на любом участке циркуляционного кольца используем эту же формулу, зная мощность устанавливаемых на этом участке радиаторов, например, производим расчет расхода воды для радиаторов, установленных в одной комнате. Предположим, что мощность радиаторов составляет 6 кВт, значит и расход теплоносителя примерно составит 6 л/мин.

По расходу воды определяем диаметры трубопроводов (табл. 1). Эти величины отвечают принятым на практике соответствиям диаметров труб с расходом протекающего по ним теплоносителя со скоростью не более 1,5 метров в секунду.

Таблица 1

Далее определяем мощность циркуляционного насоса. На каждые 10 метров длины циркуляционного кольца требуется 0,6 метра напора насоса. Например, если общая длина трубопроводного кольца 90 метров, напор насоса должен быть 5,4 метра. Идем в магазин (или подбираем по каталогу) и приобретаем насос с устраивающим нас напором. Если применяются трубы меньших диаметров, чем рекомендованные в предыдущем абзаце, мощность насоса должна быть увеличена, так как чем тоньше трубы, тем больше в них гидравлическое сопротивление. И соответственно, при применении труб больших диаметров мощность насоса может быть уменьшена.

Для того чтобы обеспечить в системах отопления постоянную циркуляцию воды, желательно устанавливать не менее двух циркуляционных насосов, один из которых - рабочий, другой (на байпасе) - резервный. Либо на систему устанавливается один насос, а другой лежит в укромном месте, на случай быстрой замены при поломке первого.

Необходимо отметить, что приведенный здесь расчет системы отопления крайне примитивен и не учитывает многих факторов и особенностей индивидуальной системы отопления. Если вы строите коттедж со сложной архитектурой системы отопления, то необходимо производить точные расчеты. Это могут сделать только инженеры-теплотехники. Строить многомиллионное сооружение без исполнительной документации - проекта, учитывающего все особенности постройки, крайне не разумно.

Циркуляционный насос в отопительной системе заполнен водой и испытывает равное (если вода не нагревается) гидростатическое давление с двух сторон - со стороны входного (всасывающего) и выходного (нагнетательного) патрубков, соединенных с теплопроводами. Современные циркуляционные насосы, сделанные с водяной смазкой подшипников, можно размещать как на подающем, так и на обратном трубопроводе, но чаще всего их ставят на обратке. Изначально это было обусловлено чисто технической причиной: при размещении в более холодной воде увеличивался срок службы подшипников, ротора и сальниковой набивки, через которую проходит вал насоса. А сейчас их ставят на обратку скорее по привычке, так как с точки зрения создания искусственной циркуляции воды в замкнутом контуре местоположение циркуляционного насоса безразлично. Хотя размещение их на подающем трубопроводе, где обычно меньше гидростатическое давление, более рационально. Например, расширительный бачок установлен в вашей системе на высоте 10 м от котла, значит, он создает статическое давление 10 м водяного столба, но это утверждение верно только для нижнего трубопровода, в верхнем давление будет меньше, так как столб воды здесь будет меньшей величины. Где бы мы не расположили насос, он будет с двух сторон подвергаться одинаковому давлению, даже если его поставить на вертикальном главном подающем или обратном стояке, разница давлений между двумя патрубками насоса будет невелика, так как насосы имеют небольшие размеры.

Однако все не так просто. Насос, действующий в замкнутом контуре системы отопления, усиливает циркуляцию, нагнетая воду в теплопровод с одной стороны и засасывая с другой. Уровень воды в расширительном баке при пуске циркуляционного насоса не изменится, так как равномерно работающий насос лишь обеспечивает циркуляцию при неизменном количестве воды. Поскольку при этих условиях (равномерности действия насоса и постоянства объема воды в системе) уровень воды в расширительном баке сохраняется неизменным, безразлично, работает ли насос или нет, гидростатическое давление в точке присоединения расширителя к трубам системы будет постоянным. Эту точку называют нейтральной, так как циркуляционное давление, развиваемое насосом, никак не влияет на статическое давление, создаваемое расширительным бачком. Другими словами, давление циркуляционного насоса в этой точке равно нулю.

В любой закрытой гидравлической системе циркуляционный насос использует расширительный бак как точку отсчета, в которой давление, развиваемое насосом, меняет свой знак: до этой точки насос, создавая компрессию, воду нагнетает, после нее он, вызывая разрежение, воду всасывает. Все теплопроводы системы от насоса до точки постоянного давления (считая по направлению движения воды) будут относиться к зоне нагнетания насоса. Все теплопроводы после этой точки - к зоне всасывания. Другими словами, если циркуляционный насос врезать в трубопровод сразу после точки подсоединения расширительного бачка, то он будет отсасывать воду из бачка и нагнетать ее в систему, если насос установить перед точкой подсоединения бачка, то насос будет откачивать воду из системы и нагнетать ее в бачок.

Ну и что, какая нам разница откачивает насос воду из бачка или нагнетает в него, лишь бы он крутил ее по системе. А разница есть и существенная: в работу системы вмешивается статическое давление, создаваемое расширительным бачком. В трубопроводах, расположенных в зоне нагнетания насоса, следует считаться с повышением гидростатического давления по сравнению с давлением воды в состоянии покоя. Напротив, в трубопроводах расположенных в зоне всасывания насоса, необходимо учитывать понижение давления, при этом возможен случай, когда гидростатическое давление не только понизится до атмосферного, но даже может возникнуть разрежение. То есть, в результате разности давлений в системе появляется опасность всасывания или высвобождения воздуха либо вскипания теплоносителя.

Во избежание нарушения циркуляции воды из-за ее вскипания или подсасывания воздуха при конструировании и гидравлическом расчете систем водяного отопления должно соблюдаться правило: в зоне всасывания в любой точке трубопроводов системы отопления гидростатическое давление при действии насоса должно оставаться избыточным. Возможны четыре способа выполнения этого правила (рис. 13).

Рис. 13. Принципиальные схемы систем отопления с насосной циркуляцией и открытым расширительным бачком

1. Подъем расширительного бака на достаточную высоту (обычно не менее 80 см). Это достаточно простой способ при реконструкции систем с естественной циркуляцией в циркуляцию насосную, но требует значительного по высоте чердачного помещения и тщательного утепления расширительного бачка.
2. Перемещение расширительного бака к наиболее опасной верхней точке с целью включения верхней магистрали в зону нагнетания. Здесь необходимо сделать пояснение. В новых отопительных системах подающие трубопроводы с насосной циркуляцией делаются с уклонами не от котла, а к котлу, для того чтобы воздушные пузырьки двигались попутно с водой, так как побудительная сила циркуляционного насоса не даст им выплыть «против течения», как это было в системах с естественной циркуляцией. Поэтому верхняя точка системы получается не на главном стояке, а на наиболее удаленном. Для реконструкции старой системы с естественной циркуляцией в насосную этот способ достаточно трудоемок, так как требует переделки трубопроводов, а для создания новой системы - не оправдан, так как возможны другие, более удачные варианты.
3. Присоединение трубы расширительного бака вблизи всасывающего патрубка циркуляционного насоса. Другими словами, если реконструируем старую систему с естественной циркуляцией, то просто отрезаем бачок от подающей магистрали и перестыковываем его на обратку позади циркуляционного насоса и тем самым создаем для насоса наиболее благоприятные условия.
4. Отходим от привычной схемы размещения насоса на обратке и включаем его в подающую магистраль сразу после точки подсоединения расширительного бачка. При реконструкции системы с естественной циркуляцией это самый простой способ: просто врезаем насос в трубу подачи, ничего больше не переделывая. Однако к выбору насоса нужно отнестись очень внимательно, все-таки мы размещаем его в неблагоприятные условия высоких температур. Насос должен будет долго и надежно служить, а это могут гарантировать только солидные фирмы-изготовители.

Современный рынок сантехнической и отопительной арматуры позволяет заменить расширительные бачки открытого типа на закрытые. В закрытом бачке не происходит соприкосновения жидкости системы с воздухом: теплоноситель не испаряется и не обогащается кислородом. Это снижает потери тепла и воды, уменьшает внутреннюю коррозию отопительных приборов. Из закрытого бачка жидкость никогда не выльется наружу.

Расширительный бачок закрытого типа («экспанзомат») - капсула шарообразной или овальной формы, разделенная внутри герметичной мембраной на две части: воздушную и жидкостную. В воздушную часть корпуса под определенным давлением закачивается азотосодержащая смесь. До заполнения отопительной системы водой давление газовой смеси внутри бака плотно прижимает диафрагму к водяной части бака. Нагревание воды приводит к созданию рабочего давления и увеличению объема теплоносителя - мембрана выгибается в сторону газовой части бака. При максимальном рабочем давлении и максимальном увеличении объема воды происходит заполнение водяной части бака и максимальное сжатие газовой смеси. Если давление продолжает повышаться и продолжает расти объем теплоносителя, то срабатывает предохранительный клапан сбрасывающий воду (рис. 14).

Рис. 14. Расширительный бачок мембранного типа

Объем бака подбирают таким, чтобы его полезный объем был не менее объема температурного расширения теплоносителя, а предварительное давление воздуха в газовой части бачка делают равным статическому давлению столба теплоносителя в системе. Такой подбор давления газовой смеси позволяет держать мембрану в равновесном (не в натянутом) положении при заполненной, но не включенной системе отопления.

Бачок закрытого типа можно поставить в любой точке системы, но, как правило, его устанавливают рядом с котлом, так как температура жидкости в месте установки расширительного бака должна быть по возможности минимальной. А мы уже знаем, что циркуляционный насос лучше всего устанавливать сразу за расширителем, где для него (да и для системы отопления в целом) создаются наиболее благоприятные условия (рис. 15).

Рис. 15. Принципиальные схемы систем отопления с насосной циркуляцией и расширительным бачком закрытого типа

Однако при такой схеме системы отопления мы сталкиваемся с двумя проблемами: удалением воздуха и повышенным давлением на котле.

Если в системах с открытыми расширительными бачками воздух удалялся через расширитель противотоком (в системах с естественной циркуляцией) или попутно (в системах с насосной циркуляцией), то с закрытыми бачками такого не происходит. Система полностью замкнута и воздуху попросту негде вырваться наружу. Для удаления воздушных пробок в верхней точке трубопровода устанавливаются автоматические спускники воздуха - приборы, снабженные поплавками и запорными клапанами. По мере увеличения давления клапан срабатывает и стравливает воздух в атмосферу. Либо на каждый радиатор отопления устанавливаются краны Маевского. Эта деталь, установленная на отопительные приборы, позволяет спускать воздушную пробку непосредственно из радиаторов. Кран Маевского входит в комплект некоторых моделей радиаторов, но чаще предлагается отдельно.

Рис. 16. Автоматический воздухоотводчик

Принцип действия воздухоотводчиков (рис. 16) заключается в том, что при отсутствии воздуха поплавок внутри прибора держит выпускной клапан закрытым. Когда воздух собирается в поплавковой камере, уровень воды внутри воздухоотводчика понижается. Поплавок опускается и открывается выпускной клапан, через который воздух выводится в атмосферу. После выхода воздуха уровень воды в воздухоотводчике повышается и поплавок всплывает, что приводит к закрытию выпускного клапана. Процесс продолжается до тех пор, пока воздух вновь не соберется в поплавковой камере и не понизит уровень воды, опуская поплавок. Автоматические воздухоотводчики изготавливаются разных конструкций, форм и размеров и могут устанавливаться как на магистральном трубопроводе, так и непосредственно (Г-образной формы) на радиаторах.

Кран Маевского, в отличие от автоматического воздухоотводчика, это в общем-то обычная пробка с воздухоотводным каналом и ввернутым в него конусным винтом: выворачиванием винта освобождается канал и воздух выходит наружу. Заворачивание винта закрывает канал. Также бывают воздухоотводчики, в которых вместо конусного винта используется металлический шарик, перекрывающий канал сброса воздуха.

Вместо автоматических воздухоотводчиков и кранов Маевского в систему отопления можно включить сепаратор воздуха. Этот прибор основан на применении закона Генри. Воздух, присутствующий в системах отопления, находится частично в растворенном виде, а частично в виде микропузырьков. При прохождении воды (вместе с воздухом) через систему она попадает в области различных температур и давлений. В соответствии с законом Генри в одних областях воздух будет выделяться из воды, а в других растворяться в ней. В котле теплоноситель нагревается до высокой температуры, поэтому именно в нем из содержащей воздух воды будет высвобождаться наибольшее количество воздуха в виде мельчайших пузырьков. Если их незамедлительно не отвести, то они растворятся в других местах системы, где температура меньше. Если удалить микропузырьки сразу за котлом, то на выходе сепаратора получим обезвоздушенную воду, которая будет поглощать воздух в разных местах системы. Этот эффект используется для поглощения воздуха в системе и выведения его в атмосферу посредством комбинации котла и сепаратора воздуха. Процесс продолжается постоянно до полного выведения воздуха из системы.

Рис. 17. Сепаратор воздуха

Работа сепаратора воздуха (рис. 17) основана на принципе слияния микропузырьков. Практически это означает, что маленькие пузырьки воздуха прилипают к поверхности специальных колец и собираются вместе, образуя большие пузырьки, которые могут отделиться и всплыть в воздушную камеру сепаратора. Когда поток жидкости проходит через кольца, он расходится во множестве различных направлений, а конструкция колец такова, что вся жидкость, проходящая через них, вступает в контакт с их поверхностью, делая возможным прилипание микропузырьков и их слияние.

Рис. 18. Принципиальные схемы систем отопления с насосной циркуляцией, расширительным бачком закрытого типа и сепаратором воздуха

Теперь немного отвлечемся от воздуха и вернемся обратно к циркуляционному насосу. В системах отопления с протяженными трубопроводами и, как следствие, с большими гидравлическими потерями, нередко требуются довольно мощные циркуляционные насосы, создающие давление на нагнетающем патрубке больше того, на которое рассчитан отопительный котел. Другими словами при размещении насоса на обратке непосредственно перед котлом могут потечь соединения в теплообменнике котла. Для того чтобы этого не произошло, мощные циркуляционные насосы устанавливают не перед котлом, а за ним - на подающем трубопроводе. И тут же встает вопрос: где размещать сепаратор воздуха, за насосом или перед ним? Ведущие изготовители отопительных систем решили этот вопрос и предлагают устанавливать сепаратор перед насосом (рис. 18), для предохранения его от повреждений пузырьками воздуха.

А теперь рассмотрим системы отопления с насосной циркуляцией более подробно.

Циркуляционный насос - частый элемент системы индивидуального отопления в собственных домах. Такое устройство позволяет качественно прогонять теплоноситель по замкнутому контуру, обеспечивая тем самым постоянную температуру на всех участках системы отопления и полное отсутствие воздушных пробок там же. Но и с самым надёжным оборудованием иногда случаются неприятности в виде сбоев в работе. А поэтому иногда требуется ремонт циркуляционного насоса с тем, чтобы вернуть системе обогрева дома изначальную эффективность.

Примечательно то, что, несмотря на разнообразие модельного ряда циркуляционных насосов, принцип их работы и технического обслуживания одинаковы для всех аппаратов. Поэтому в данном материале мы рассмотрим варианты, при которых можно избежать услуг профессиональных специалистов в сервисном центре и провести ремонт циркуляционного насоса своими руками.

Для того чтобы понимать принцип проведения ремонта насосного оборудования, необходимо досконально разобраться в его устройстве. Такие знания помогут в разы быстрее выявить неисправности в механизме и устранить их.

Итак, устройство стандартного циркуляционного насоса для систем отопления выглядит следующим образом:

• Крупный вытянутый по горизонтали стальной корпус, в котором располагаются все рабочие узлы системы. Помимо стали для корпуса агрегата могут использоваться прочный алюминиевый сплав или нержавейка.
• В корпусе размещается мощный электрический двигатель и ротор.
• Здесь же на роторе фиксируется рабочее колесо с лопастями, которые изогнуты в обратном направлении от движения колеса. Как правило, этот элемент насоса производят из прочных полимеров.

Важно: рабочее колесо в насосе может располагаться как горизонтально, так и вертикально в зависимости от модели. В этом случае производить установку агрегата необходимо таким образом, чтобы рабочее колесо располагалось параллельно ходу трубопровода.

Как работает циркуляционный механизм?

В момент включения насоса вода в системе отопления (в замкнутом контуре) втягивается во входное отверстие под воздействием вращения колеса с лопастями. Попавшая в камеру вода благодаря действию центробежной силы прижимается к стенкам рабочей камеры и выталкивается наружу (в выходное отверстие). Следом за этим давление в камере падает, что способствует новому нагнетанию воды в резервуар помпы.

Таким образом, в процессе непрерывного цикла работы насоса система отопления может находиться в состоянии постоянной заданной температуры, что существенно снижает затраты на расход топлива или электрической энергии для подогрева воды.

Важно: циркуляционный насос способен перерабатывать воду до 95 градусов по Цельсию, что делает его применение еще более оправданным в системах индивидуального отопления. Но не рекомендуется постоянно гнать по трубам воду такой температуры. Это негативно скажется на долговечности оборудования.

Виды насосов циркуляционного типа

Для проведения качественной починки циркуляционной помпы нелишним будет узнать и о видах такого оборудования. Итак, существуют два вида устройств для работы с водой в замкнутом контуре:

• Механизмы с мокрым ротором;
• Насосы с сухим ротором.

В первом случае агрегаты рассчитаны на постоянный контакт ротора с перекачиваемой жидкостью. В результате такой конструкции происходит естественное охлаждение и смазывание все трущихся друг о друга элементов помпы. Монтаж насоса с мокрым ротором должен производиться только в горизонтальном положении, чтобы ротор всегда контактировал с водой. Устройство подобного типа отличается низким уровнем шума при работе и более доступной ценой. Кроме того, насосы с мокрым ротором более просты в обслуживании и уходе.

Агрегаты с сухим ротором. Здесь ротор располагается в отдельной сухой камере. При этом вращающий момент передаётся ротору благодаря специальной муфте. Стоит отметить, что помпы циркуляционного типа с сухим ротором имеют большую мощность и производительность, в отличие от своих «мокрых» собратьев. Но при этом и отличаются более сложным устройством, а значит, требуют большего профессионализма в выявлении причин неисправности и проведении последующего ремонта.

Важно: насосы с сухим ротором в отличие от водоподающих агрегатов могут работать всухую. Только нагрузка на привод будет колоссальная, что и приведёт к скорому износу оборудования.

Стоит отметить и такой важный момент, что все циркуляционные агрегаты по типу конструкции корпуса можно поделить на моноблочные устройства и консольные. Первые имеют единый блок-корпус, в котором располагаются все рабочие узлы. Второй состоит из двух блоков, каждый из которых предназначен для определенных рабочих узлов.

Как уберечь насос от неисправности?

Чтобы подстраховаться и избежать поломки достаточно дорогого насосного оборудования, рекомендуется придерживаться некоторых основных правил по эксплуатации техники подобного типа:

• Не допускайте включения помпы без наличия теплоносителя в замкнутом контуре. То есть, если в трубах системы отопления воды нет, то не стоит «мучить» насос. Так вы спровоцируете скорую поломку техники.
• Желательно всегда поддерживать в трубах необходимый объем воды-теплоносителя. В противном случае помпа будет работать на износ, причём как в случае превышения объема воды, так и в случае его нехватки. К примеру, если помпа может перегонять количество воды от 5 и до 105 литров, то необходимость работать с объемами от 3 до 103 литров уже будут сильно изнашивать рабочие узлы агрегата, что приведет к его выходу из строя.
• В случае длительного простоя насоса (в период несезона отопления) необходимо раз в один месяц прогонять агрегат в рабочем положении хотя бы 15 минут. Это позволит избежать окисления всех движимых элементов насосного агрегата.
• Старайтесь не превышать температуру теплоносителя выше 65 градусов по Цельсию. Более высокий показатель будет негативно воздействовать на рабочие и движимые части конструкции.
• При этом чаще проверяйте корпус насоса на герметичность. Если где-то наблюдается хоть малейшая течь, следует сразу выявить неисправность и провести техническое обслуживание помпы.

Действия для профилактики

Также для защиты насосного оборудования от резкого выхода из строя рекомендуется осуществлять профилактическое обслуживание агрегата, которое будет включать в себя такие действия:

• Регулярный внешний осмотр корпуса насоса и его тщательное прослушивание в рабочем режиме. Так вы смоете проверить работоспособность помпы и герметичность корпуса.
• Следите за тем, чтобы все наружные крепежи насоса были надёжно смазаны. Это позволит облегчить разборку помпы в случае необходимости проведения ремонта.
• Также стоит соблюдать некоторые правила и при монтаже насосного агрегата впервые. Это поможет избежать ремонтных работ в дальнейшем:
• Итак, при первом подключении насоса к сети отопления стоит включить агрегат только в том случае, если в системе есть вода. Причём её фактический объем должен соответствовать указанному в техническом паспорте.
• Стоит здесь же проверить и напор теплоносителя в замкнутом контуре. Он также должен соответствовать заявленному в технических характеристиках агрегата.
• Кроме того, убедитесь, что заземление при подключении насоса есть между насосом и клеммами. Здесь же в клеммной коробке проверьте отсутствие влаги и надёжность фиксации всех проводков.
• Работающий насос не должен давать даже минимальных течей. Особого внимания заслуживают места соединения входного и выходного патрубков системы отопления с корпусом насоса.

Возможные поломки и способы их устранения

Итак, если все же с вашим циркуляционным насосом приключилась беда, и он отказывается работать, то попробуем отремонтировать агрегат своими руками.

Важно: но если вы не уверены в своих способностях или не имеете соответствующего инструмента под рукой, то лучше обратитесь в специализированный центр.

Если насос издаёт гул, но рабочее колесо не вращается

Причинами могут быть следующие моменты:

• Наличие постороннего предмета в зоне рабочего колеса;
• Окислился вал ротора вследствие длительного простоя агрегата;
• Нарушение подачи электропитания к клеммам механизма.

В первом случае нужно аккуратно снять насос с системы отопления и раскрутить корпус в области рабочего колеса. При обнаружении инородного предмета, устранить его и провернуть вал руками. При сборке насоса в обратном порядке необходимо установить на патрубок надежный фильтр.

Если де имеет место быть окисление, то его хорошо зачищают, смазывают все движимые элементы рабочего узла и собирают насос в обратном порядке.

Если де проблема в качестве подачи электропитания, то придётся проверить напряжение при помощи тестера. Сначала на всех участках кабеля и при обнаружении порыва или неисправности полностью заменить последний. Затем, если кабель окажется в порядке, проверить напряжение на клеммах. Если тестер показывает бесконечность, произошло замыкание. Если показывает меньшее напряжение, значит, случился обрыв обмотки. И в том и в другом случаях производят замену клемм.

Если агрегат вообще не подаёт признаков жизни

Такое может случиться, если в сети отсутствует напряжение. При помощи тестера проверяют напряжение и при необходимости устраняют неполадку.

Кстати, рекомендуется защитить насос от перепадов в сети при помощи установки надежного стабилизатора. Такой ход позволит также защитить насос от сгорания плавкого предохранителя, который выходит из строя в результате постоянных перепадов давления в сети.

Если насос включается, но потом останавливается

Причинами могут являться:

• Наличие накипи между движущимися элементами агрегата;
• Неправильное подключение помпы в районе клемм.

В первом случае придётся разобрать насос и проверить его на наличие накипи. В случае обнаружения известковый налёт удаляют и смазывают все стыки между ротором и статором.

Если же накипи нет, то проверьте плотность предохранителя на агрегате. Следует снять его и хорошенько прочистить все зажимы. Здесь же стоит проверить правильность подключения всех проводов в клеммной коробке по фазам.

Если насос издаёт сильный шум при включении

Причиной этому является присутствие воздуха в замкнутом контуре. Необходимо выпустить все воздушные массы из труб, а в верхней части трубопровода смонтировать специальный узел для предотвращения образования воздушных пробок.

Еще одной причиной может стать износ подшипника рабочего колеса. В этом случае нужно разобрать корпус агрегата, проверить подшипник и при необходимости заменить его.

Если насос шумит и вибрирует

Скорее всего, дело в недостаточном напоре в системе. Необходимо добавить воды в трубы или повысить давление в области входного патрубка помпы.

Если все же напор мал

Здесь стоит проверить направление вращения рабочего узла в корпусе помпы. Если колесо крутится неверно, то, вероятно, была допущена ошибка при подключении устройства к клеммам по фазам в случае использования трехфазной сети.

Еще одной причиной снижения напора может стать слишком высокая вязкость теплоносителя. Здесь рабочее колесо испытывает большое сопротивление и не справляется с поставленными задачами. Придётся проверить состояние сетчатого фильтра и при необходимости прочистить его. Также нелишним будет проверить сечение труб входного и выходного отверстия и при необходимости установить верные параметры работы помпы.

Эксплуатация

Если все де придётся ремонтировать насос, то подготовьте байпас. Это отрезок обходной трубы, который закроет контур на время ремонтных работ.

Важно: ремонтировать насос на весу, отключив его от одного из патрубков, не рекомендуется. Может сломаться труба отопления, особенно если она пластиковая.

Если придётся вскрывать корпус насоса, а болты окажутся неподатливыми, то можно использовать специальное средство под названием «жидкие ключи». Его необходимо нанести на крепеж и через некоторое время болт поддастся воздействию отвертки.

И самое важное: не вскрывайте насос самостоятельно, если его гарантийный срок еще не вышел. Лучше обратиться в этом случае в сервисный центр. Кроме того, при сложных случаях может оказаться дешевле купить новый насос, чем найти на него комплектующие или детали.

Надёжная работа парового котла возможна при условии непрерывного отвода теплоты, передаваемой газами поверхности нагрева. Теплота отводится нагреваемой средой, т.е. водой, паром или пароводяной смесью. Хороший отвод теплоты нагреваемой средой обеспечивается при правильной организации циркуляции.

Циркуляция – многократное движение воды по замкнутому контуру.

Контур циркуляции – замкнутая система непрерывного движения воды и пароводяной смеси по трубам, подключённым к паровому и водяным коллекторам котла.

Непрерывное движение воды и пароводяной смеси в циркуляционном контуре водотрубного котла осуществляется вследствие разности их плотностей (естественная циркуляция ) или с помощью циркуляционных насосов (принудительная циркуляция ).

Контуры циркуляции бывают независимыми и смешанными . У независимого контура циркуляции опускные трубы обслуживают только свой контур, а у смешанного – опускные трубы питают водой подъёмные трубы нескольких контуров.

В водотрубном паровом котле (рис. 6.1) вода из пароводяного коллектора 4 по опускным трубам 2 и 5 , наиболее удалённым от топки и получающим меньше теплоты, поступает в водяные коллекторы 1 и 7 . Опускные трубы 5 являются обогреваемыми, 2 – необогреваемыми. Первые получают теплоту, идущую на подогрев воды, а вторые теплоту практически не получают. Трубы 6 конвективного пучка и трубы 3 экрана, воспринимающие больше теплоты, являются подъёмными – по ним движется в коллектор 4 образующаяся пароводяная смесь. В пароводяном коллекторе происходит разделение пара и воды, смешение питательной воды с котловой и организация поступления воды в опускные трубы. У большинства котлов все конвективные пучки труб подъёмные, а опускные необогреваемые трубы размещаются за первым рядом бокового экрана или в воздушных коробах фронта котла, т.е. вне топки.

Во вспомогательном огнетрубном котле и утилизационном газотрубном котле, относящихся к котлам с неорганизованной циркуляцией, процесс циркуляции осуществляется благодаря восходящим потокам на участках поверхностей нагрева наиболее обогреваемых и нисходящим потокам – на необогреваемых или слабообогреваемых участках.

Расход воды через циркуляционный контур превышает количество образующегося в нём пара.

Кратность циркуляции – отношение расхода циркулирующей воды к паропроизводительности контура:

Кратность циркуляции показывает, сколько раз должна пройти по контуру определённая масса воды, чтобы полностью превратиться в пар.

k ц = 20 – 70 в ГК

k ц = 20 – 40 в ВК

k ц = 2 – 10 в УК с принудительной циркуляцией.

Движущий напор циркуляции – разность масс столбов воды и пароводяной смеси соответственно в опускных и подъёмных трубах контура.

Высота подъёмной трубы складывается из экономайзерного участка h э (рис. 6.2), в котором вода, поступающая из водяного коллектора, доводится до кипения, и участка h п, называемого высотой паросодержащей части. На участке h п происходит парообразование и восходящее движение пароводяной смеси. Движущий напор зависит от высоты паросодержащей части и разности плотностей воды и пароводяной смеси, находящихся практически при одинаковой температуре.

Полезный напор циркуляции – разность между значениями движущего напора и сопротивлений движению в подъёмных трубах.

Скорость циркуляции – скорость входа воды в подъёмные трубы контура [т/ч]. В зависимости от расположения пучков труб по отношению к источнику теплоты значения скорости циркуляции составляют 0,3 – 1,5 м/с.

Застой циркуляции – замедление или прекращение движения пароводяной смеси вверх. Это явление возникает в случае неравномерного обогрева или загрязнения парообразующих труб, расположенных в одном ряду. При застое циркуляции в менее нагретых трубах образуется свободный уровень воды. По участку труб, расположенному выше свободного уровня, будет медленно двигаться пар, а не пароводяная смесь. Нормального отвода теплоты от стенки обогреваемой трубы не будет и произойдёт аварийный перегрев металла.

Опрокидывание циркуляции – явление, при котором в подъёмных трубах, получающих по сравнению с другими трубами ряда меньше теплоты, происходит выделение пара и его подъём с одновременным опусканием воды. Причины и последствия опрокидывания те же, что и при застое циркуляции.

В горизонтальных трубах и трубах с небольшим уклоном к горизонту возможно расслоение пароводяной смеси . При движении пароводяной смеси с небольшой скоростью пар, имеющий меньшую плотность, чем вода, поднимается и отделяется от воды, в результате чего возникает раздельное движение по трубе воды и пара. Это приводит к перегреву участков труб, омываемых паром. Расслоение пароводяной смеси усиливается с увеличением диаметра труб, снижением скорости движения среды, повышением давления пара.

Кавитация – явление, при котором во входном сечении опускной трубы происходит парообразование. Оно может наступить, если статическое давление в этом сечении окажется меньше давления в пароводяном коллекторе. При кавитации нарушается нормальное поступление воды в опускные трубы, следовательно, и в подъёмные. Образующиеся паровые пузырьки и их конденсация вызывают в трубах гидравлические удары, которые могут быть причиной образования трещин в трубах. Для предотвращения кавитации следует поддерживать уровень воды в пароводяном коллекторе не менее чем на 50 ммвыше верхней кромки входного сечения опускных труб.

С целью обеспечения надёжной циркуляции необходимо содержать в чистоте поверхности нагрева, не допускать резких колебаний давления пара, поддерживать нормальный уровень воды в пароводяном коллекторе, особенно при качке, а также не допускать модернизационных мероприятий без предварительной оценки надёжности циркуляции для нового варианта котла.