В этой статье: история создания циркуляционных насосов; устройство и принцип работы; типы насосов для отопления; как выбрать циркуляционный насос; куда и как установить насос для отопления.
Если общая площадь отапливаемых помещений исчисляется сотнями квадратных метров и если эти самые метры занимают несколько этажей, то классического отопления, основанного на естественной циркуляции теплоносителя, будет не достаточно. И в этом нет ничего удивительного — давление в системах с естественной циркуляцией не превышает 0,6 мПа. Повысить давление и улучшить циркуляцию воды в таких системах отопления можно лишь двумя способами — строить замкнутую систему трубами большого диаметра либо ввести в нее циркуляционный насос. Трубы большого диаметра обойдутся недешево, поэтому лучшее решение в отоплении площадей от 100-150 м2 — циркуляционный насос.
Насосы для систем отопления — история
Разрешить проблему циркуляции теплоносителя в системах водяного отопления инженеры пытались еще век назад, пытаясь как-то поручить эту задачу насосу с электродвигателем. Но существующие на начало XX века электродвигатели имели открытые контакты, попадание воды на них приводило к немедленным авариям.
В 20-х годах прошлого века немецкий инженер Готтлоб Баукнехт, основавший компанию «Bauknecht», создал первый герметичный электродвигатель. Спустя несколько лет Вильгельмом Оплендером, владельцем и основателем компании «Wilo», был создан циркуляционный насос, в котором был использован электродвигатель конструкции Баукнехта. В «сухом» насосе Оплендера привод от двигателя к аксиальному колесу, установленному в колено трубы, выполнял вал, герметизированный сальниковыми уплотнениями. Вильгельм Оплендер назвал свой циркуляционный насос «ускорителем циркуляции», с 1929 по 1955 годы насосы такой конструкции выпускались и применялись в отопительных системах Европы и США повсеместно.
Главным недостатком циркуляционного насоса Опледера было сальниковое уплотнение, быстро изнашиваемое при малейших неровностях на поверхности вала, да и материал сальниковой набивки не отличался особой прочностью. Требовалась частая смена сальниковой набивки, поверхность вала нуждалась в периодической шлифовке и полировке.
70 лет назад был создан первый циркуляционный насос «мокрого» типа — его изобрел Карл Рютчи, швейцарский инженер и основатель компании «Rütschi pumpen AG». Электродвигатель в насосе конструкции Рютчи монтировался на колене, по которому прокачивалась вода, и был надежно герметизирован. Воде при этом отводилась роль смазки.
Позже колено, по которому проходил теплоноситель, было заменено на «улитку», с этого момента «улитка» используется в конструкции каждого современного насоса для систем отопления.
Устройство и принцип работы
Циркуляционные насосы имеют узкую специализацию — они предназначены для принудительной циркуляции теплоносителя (воды) в замкнутых отопительных системах. По своему устройству они схожи с дренажными насосами: корпус из нержавеющих металлов или сплавов (стали, чугуна, алюминия, латуни или бронзы); стальной или керамический ротор; роторный вал оснащен лопастным колесом-крыльчаткой; электродвигатель, вращающий ротор.
Будучи установленным в отопительную систему, насос засасывает воду с одной стороны и нагнетает ее в трубопровод с другой за счет центробежной силы, возникающей при вращении крыльчатки — во вводном патрубке возникает разрежение, на выводном компрессия. При равномерной работе насоса уровень теплоносителя в расширительном бачке не меняется, т.е. с его помощью поднять давление в отопительной системе не удастся — для выполнения этой задачи понадобится повысительный насос. Задача же циркуляционного насоса — содействовать теплоносителю в преодолении сопротивления, возникающего на отдельных участках отопительных систем.
Типы циркуляционных насосов
В основном отопительные насосы подразделяются на два типа — «сухой» и «мокрый».
В конструкциях первого типа ротор не контактирует с перекачиваемой водой, его рабочая часть отделена от электродвигателя уплотнительными кольцами, изготовленными чаще всего из угольного агломерата, реже из нержавеющей стали или керамики, оксида алюминия или карбида вольфрама (материал торцевого уплотнителя зависит от типа теплоносителя). При запуске двигателя насоса уплотнительные кольца вращаются по отношению друг к другу — между отполированными и тщательно пригнанными друг к другу кольцами находится тончайший слой водяной пленки, герметизирующая соединение за счет разницы давлений во внешней атмосфере и в отопительной системе (в системе отопления давление выше). Пружина толкает одно уплотнительное кольцо к другому, в процессе эксплуатации кольца изнашиваются и самоподгоняются друг к другу, срок их службы составит не менее 3-х лет — они более эффективны, чем сальниковая набивка, нуждающаяся в постоянной смазке и охлаждении. КПД циркуляционных насосов с сухим ротором составляет до 80%. По сравнению с «мокрыми» насосами, насосы с сухим ротором издают громкий шум при работе, поэтому их устанавливают в отдельном помещении с хорошей звукоизоляцией.
При использовании насосов с сухим ротором со скользящими торцевыми уплотнениями следует тщательно отслеживать наличие взвесей в перекачиваемой воде и состояние запыленности воздуха в помещении, где установлен сам насос. Работа «сухого» насоса вызывает воздушные завихрения, притягивающие частицы пыли — частицы пыли и взвеси в теплоносителе могут повредить поверхности колец уплотнения, нарушая их герметичность.
Независимо от типа уплотнения, будь оно сальниковое или скользящее торцевое, в работе «сухого» насоса происходит их разрушение, поэтому им требуется присутствие жидкости на роль смазки — при ее отсутствии разрушение торцевого уплотнения неминуемо.
«Сухие» насосы подразделяются на три типа: горизонтальные (консольные), вертикальные и блочные. У насосов первого типа всасывающий патрубок находится на торцевой стороне «улитки», а патрубок нагнетательный — радиально на корпусе. Крепление электродвигателя консольных насосов производится в горизонтальном положении.
Вертикальные насосы (in-line) оснащаются патрубками одинакового прохода, расположенными по одной оси. Расположение электродвигателя в конструкции таких насосов вертикальное.
Теплоноситель в блочный насос поступает в направлении оси, выход его производится в радиальном направлении.
«Мокрые» отопительные насосы отличаются от сухих тем, что в их конструкции крыльчатка погружена в теплоноситель вместе с ротором, при этом теплоноситель выполняет функции смазки и охлаждения работающего двигателя. Разделяющий ротор и статор металлический стакан, материалом для которого служит нержавеющая сталь, обеспечивает герметичность той части электродвигателя, что находится под напряжением. Ротор «мокрого» насоса для систем отопления выполняется из керамики, подшипники керамические или графитовые, корпус обычно чугунный — для отопительных систем лучше подходят «мокрые» циркуляционные насосы в латунном или бронзовом корпусе. По сравнению с «сухими» «мокрые» насосы менее шумны, годами не требуют обслуживания, их проще ремонтировать и выполнять настройку. Но их главный и существенный минус — в низком КПД, не превышающем 50%. Причина низкой производительности «мокрых» насосов связана с тем, что герметизировать гильзу, разделяющую статор и теплоноситель, при большем диаметре ротора будет практически невозможно. Именно из-за низкого КПД насосы «мокрого» типа используются по большей части для улучшения циркуляции в отопительных системах небольшой протяженности, т.е. в бытовом отоплении.
Современные «мокрые» циркуляционные насосы имеют модульную конструкцию. Таких моделей пять: корпус насоса; электромотор со статором; коробка с клеммниками; рабочее колесо; картуш, содержащий ротор и вал с подшипниками. Единый блок картуша позволяет легко устранять при пуске скопившийся в корпусе насоса воздух, а сама модульная схема конструкции облегчает ремонтные работы — достаточно лишь заменить неисправный модуль на новый.
Соответственно мощности, «мокрые» насосы для отопления комплектуются одно- и трехфазными электрическими двигателями. С трубопроводом систем отопления насосы крепятся резьбовым или фланцевым соединением — его тип зависит от производительности данного насоса.
Поскольку воде в насосах с мокрым ротором отведена роль смазки, к подшипникам через гильзу, разделяющую теплоноситель и статор, должна постоянно поступать вода. Единственным способом обеспечить подшипники достаточной смазкой является строго горизонтальное положение вала — любое другое положение вала вызовет сбои в работе насоса и в скором времени он придет в негодность.
Насосы для отопления — как их выбирать
Прежде вычислим, какое количество теплоносителя проходит через котел за минуту. Производители отопительных котлов в своем большинстве рекомендуют использовать простой способ расчета — приравнять мощность котла к расходу воды, т.е. при мощности в 30 кВт через котел за минуту пройдет 30 литров воды. Рассчитывая расход теплоносителя применительно к определенному участку кольца циркуляции, воспользуемся этим же способом: мощность отопительных радиаторов нам известна, соответственно ей рассчитывается расход воды.
На очереди — вычисление расхода теплоносителя в трубопроводе, согласно диаметру труб, из которых он построен:
- в трубах диаметром ½ дюйма расход воды составит 5,7 л/мин;
- в трубах диаметром ¾ дюйма расход воды составит 15 л/мин;
- в трубах диаметром 1 дюйм расход воды составит 30 л/мин;
- в трубах диаметром 1¼ дюйма расход воды составит 53 л/мин;
- при диаметре труб 1½ дюйма расход воды составит 83 л/мин;
- при диаметре труб 2 дюйма расход воды составит 170 л/мин;
- при диаметре труб 2½ дюйма расход воды составит 320 л/мин.
Скорость движения теплоносителя принята за 1,5 м в секунду — как правило, это достаточная скорость для воды в системах отопления.
Вычислим мощность насоса для отопления из расчета, что на десятиметровый отрезок трубопровода понадобится напор в 0,6 м — соответственно для стометровой отопительной системы понадобится насос, создающий напор в 6 метров. Согласно полученных результатов следует подбирать насос.
Если в вашей системе отопления применены трубы меньшего диаметра, чем приведены выше, то требуется повысить заданную мощность насоса, поскольку гидравлическое сопротивление в них будет выше. И, наоборот — при большем диаметре труб требуется циркуляционный насос меньшей мощности.
Предложенный выше расчет характеристик насоса для систем отопления достаточно условен и прост — если требуется расчет для отопительной системы большой протяженности и сложного построения, то наиболее правильным будет обратиться к специалистам в области теплотехники. Самостоятельно произвести расчет для сложной и многоуровневой отопительной системы вам не удастся! Но, если вы все же решили попробовать — формула расчета приводится в СНиП 2.04.05-91*.
Циркуляционный насос с минимальными характеристиками — мощность 30 Вт, максимальный напор 2 м, расход воды 2 м3/ч, с дюймовым подсоединением — стоит в среднем 4 300 руб. Крупнейшими поставщиками бытовых и промышленных насосов для систем отопления на рынке России являются итальянские «DAB», «Lowara», «Ebara» и «Pedrollo», «Grundfos» (Дания), «Wilo» (Германия). Российские производители, как правило, выпускают промышленные насосы, бытовых циркуляционных насосов в их линейке продукции нет.
Учитывайте, что выбрать на 100% подходящий насос вам не удастся — каждая отопительная система имеет свои собственные характеристики, а насосы являются серийно выпускаемым агрегатом со средними параметрами. Выбор же модели насоса с излишней мощностью, чем действительно необходимо, вызовет при работе шум в трубах. Поэтому выбрать стоит ту модель насоса, которая имеет несколько настраиваемых режимов работы и выставить опытным путем тот режим, при котором насос работает наиболее эффективно. Правильным будет выбрать насос, мощность которого превышает необходимую для данной системы отопления на 5-10%.
Выбор места и установка циркуляционного насоса
«Мокрый» насос можно установить как на обратном, так и на подающем трубопроводе. Популярность установки на обратном трубопроводе связана со старыми моделями насосов — их ставили только на обратку, т.к. проход через них более холодной воды продлевал срок службы сальниковой набивки, ротора и подшипников.
Во время работы насоса в трубопроводе до расширительного бака и трубопроводе после него создается разное давление: в первом случае компрессия, во втором — разрежение. Статическое давление, которое создает расширительный бак, будет воздействовать на работу отопительной системы с циркуляционным насосом. Необходимо учитывать, что гидростатическое давление в зоне подачи насоса, будет выше обычного (в состоянии покоя) давления воды. С другой стороны, в той части отопительной системы, откуда насос всасывает теплоноситель, давление будет пониженным, его уровень не только может упасть до атмосферного, но и привести к разрежению. Разность давлений в отопительной системе может привести к закипанию воды, а также высвобождению или всасыванию воздуха.
Циркуляция теплоносителя в системе отопления не будет нарушена, если при ее построении учесть одно условие — в любой точке зоны всасывания гидростатическое давление должно быть только избыточным. Достичь его соблюдения можно следующими способами:
- Поднять расширительный бак на высоту от 0,8 м над высшей точкой трубопровода отопления. Этот способ наиболее прост, если выполняется изменение отопительной системы с естественной циркуляцией на принудительную, однако его осуществление возможно лишь при достаточной высоте помещения чердака и потребуется хорошо утеплить расширительный бак;
- Поместить расширительный бак в верхнюю точку трубопровода с тем, чтобы ввести верхний участок отопительной системы в зону нагнетания насоса. Современные отопительные системы (данный прием применим именно для них), заранее рассчитанные на принудительную циркуляцию, строятся с уклоном трубопровода «к котлу», а не «от него», как в системах отопления с естественной циркуляцией. Цели таковы: пузырьки воздуха при таком построении уклона будут двигаться по потоку воды, увлекаемые напором от циркуляционного насоса, т.е. движение против потока воды для пузырьков воздуха, обычное для систем с естественной циркуляцией, будет невозможным. В результате наивысшая точка в системе отопления будет не на основном стояке, а на самом дальнем. Использовать этот способ или нет — решать вам, однако переделка под него существующей системы отопления будет сложной, а строить новую систему на его основе не совсем удобно, ведь существуют более простые способы;
- Перенос трубы с расширительным баком от подающего стояка и ее врезка в обратку неподалеку от циркуляционного насоса, перед его всасывающим патрубком. При такой реконструкции существующей системы отопления получим оптимальные условия для работы принудительной насосной циркуляции;
- Данный способ подойдет не для всех моделей насосов — подключение циркуляционного насоса в подающий участок трубопровода, непосредственно за точкой ввода расширительного бака. Внешне такая переделка существующей отопительной системы выглядит просто, но температура теплоносителя в этом участке отопительного контура будет особенно высока — убедись прежде, что данная модель насоса действительно выдержит столь неблагоприятные условия работы.
Определившись с местом установки насоса, переходим к собственно установке. Понадобится фильтр грубой очистки, обратный клапан (для закрытых систем под давлением), байпас и гаечные ключи (от 19 до 36 мм) — все элементы под резьбовой диаметр насоса. На основную трубу, между вводом и выводом врезаемого байпаса, необходимо установить запорный кран по ее диаметру. Особенно удобно, если выбранная модель насоса имеет разъемные резьбы, иначе придется докупать их отдельно.
Байпас, применяемый в системах отопления, представляет собой небольшой отрезок трубопровода, устанавливаемый параллельно запорной и регулирующей арматуре, его задача — переключение системы отопления на естественную циркуляцию при сбое в энергоснабжении и поломке насоса. Для нормальной работы отопительных приборов диаметр трубы байпаса должен быть равным диаметру стояка, в который врезается.
Порядок установки приборов на байпасе, по направлению теплоносителя: фильтр, обратный клапан (если необходим) и циркуляционный насос. Вводы байпаса в стояк осуществить через запорные краны — при переводе системы на естественную циркуляцию и при поломках приборов на байпасе эти краны перекрываются, открывается запорный кран под байпасом.
Для эффективной работы «мокрого» насоса и для предотвращения накопления воздуха байпас устанавливается строго горизонтально. На всякий случай среди установленных на байпасе приборов можно установить автоматический отводчик воздуха — в любое место, не суть важно, но в вертикальном положении. Преимущества автоотводчика воздуха перед классическим краном Маевского, которым оснащаются некоторые радиаторы отопления — выпуск и последующее перекрытие этого прибора производится автоматически, а кран конструкции Маевского необходимо вывинчивать и завинчивать вручную.
Присоединяйтесь к нам на канале Яндекс.Дзен
