Гидроника (от древнегреческого гидро- «вода») — использование жидкой воды или газообразной воды ( пара ) или водного раствора (обычно гликоля с водой) в качестве теплоносителя в системах отопления и охлаждения . [1] [2] Название отличает такие системы от систем с маслом и хладагентом .
Исторически сложилось так, что в крупных коммерческих зданиях, таких как высотные здания и кампусы , гидравлическая система может включать в себя контур как охлажденной, так и подогреваемой воды, обеспечивающий как отопление, так и кондиционирование воздуха . Чиллеры и градирни используются отдельно или вместе для обеспечения водяного охлаждения, а котлы нагревают воду. Недавней инновацией является система котлов-чиллеров , которая обеспечивает эффективную систему отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха в домах и небольших коммерческих помещениях.
Во многих крупных городах имеется система централизованного теплоснабжения, которая через подземные трубопроводы обеспечивает общедоступную горячую и охлажденную воду высокой температуры. К ним можно подключить здание в служебном районе при условии оплаты платы за обслуживание.
Гидравлические системы могут включать в себя следующие виды распределения: [1]
Гидравлические системы далее классифицируются по пяти признакам:
Гидравлические системы можно разделить на несколько общих категорий расположения трубопроводов:
В старейшей современной технологии водяного отопления однотрубная паровая система подает пар к радиаторам , где пар отдает свое тепло и снова конденсируется в воду. Радиаторы и трубы подачи пара расположены так, что сила тяжести в конечном итоге выводит этот конденсат обратно по трубопроводу подачи пара в котел, где он снова может быть превращен в пар и возвращен в радиаторы.
Несмотря на свое название, радиатор не нагревает помещение за счет излучения. При правильном расположении радиатор создаст в помещении конвекционный поток воздуха, который и обеспечит основной механизм теплопередачи. Принято считать, что для достижения наилучших результатов паровой радиатор должен находиться на расстоянии не более одного-двух дюймов (2,5-5 см) от стены.
Однотрубные системы ограничены как в своей способности доставлять большие объемы пара (то есть тепла) [ нужна цитата ] , так и в возможности контролировать поток пара к отдельным радиаторам [ нужна цитата ] (поскольку закрытие ловушек подачи пара конденсат в радиаторах). Из-за этих ограничений однотрубные системы больше не являются предпочтительными.
Эти системы зависят от правильной работы термостатических воздухоотводчиков, расположенных на радиаторах по всей отапливаемой площади. Когда система не используется, эти клапаны открыты в атмосферу, а радиаторы и трубы содержат воздух. Когда начинается цикл отопления, котел производит пар, который расширяется и вытесняет воздух в системе. Воздух выходит из системы через воздухоотводные клапаны на радиаторах и на самих паропроводах. Термостатические клапаны закрываются, когда они нагреваются; в наиболее распространенном виде давление паров небольшого количества спирта в клапане оказывает силу, приводящую в действие клапан и предотвращающую выход пара из радиатора. Когда клапан остывает, в систему поступает воздух, замещающий конденсирующийся пар.
Некоторые более современные клапаны можно отрегулировать для более быстрого или медленного удаления воздуха. В общем, клапаны, ближайшие к котлу, должны выпускать воздух медленнее всего, а клапаны, наиболее удаленные от котла, должны выпускать воздух быстрее всего. [ нужна цитата ] В идеале пар должен достигать каждого клапана и закрывать каждый клапан одновременно, чтобы система могла работать с максимальной эффективностью; это состояние известно как «сбалансированная» система. [ нужна цитата ]
В двухтрубных паровых системах существует обратный путь для конденсата, который может включать как насосы, так и поток, вызванный силой тяжести. Поток пара к отдельным радиаторам можно регулировать с помощью ручных или автоматических клапанов .
Обратный трубопровод, как следует из названия, ведет к котлу самым прямым путем.
Более низкая стоимость обратного трубопровода в большинстве (но не всех) применений, а подающий и обратный трубопровод разделены.
Эту систему может быть трудно сбалансировать из-за того, что длина подающей линии отличается от длины обратной; чем дальше от котла находится теплообменное устройство, тем более выражена разница давлений. По этой причине всегда рекомендуется: минимизировать падение давления в распределительном трубопроводе; используйте насос с плоской головкой [ если определено как? ] , включать в себя балансировочные и расходомерные устройства на каждом выводе или ответвлении цепи; и использовать регулирующие клапаны с высокой потерей напора [ если определено как? ] на терминалах.
Двухтрубная конфигурация с обратным возвратом, которую иногда называют «трехтрубной системой», отличается от двухтрубной системы способом возврата воды в котел. В двухтрубной системе, как только вода покинула первый радиатор, она возвращается в котел для повторного нагрева, и так со вторым, третьим и т. д. При двухтрубном обратном возврате обратная труба направляется к последнему радиатору. в системе перед возвращением в котел для повторного нагрева.
Преимущество двухтрубной системы обратного возврата состоит в том, что длина труб до каждого радиатора примерно одинакова, это обеспечивает одинаковое сопротивление трения потоку воды в каждом радиаторе. Это позволяет легко балансировать систему.
Монтажник или ремонтник не может быть уверен, что каждая система самобалансируется, не проверив ее должным образом.
Современные системы почти всегда используют нагретую воду, а не пар. Это открывает в системе возможность использования охлажденной воды для кондиционирования воздуха .
В домах водяной контур может представлять собой простую трубу, которая «закольцовывает» поток через каждый радиатор в зоне. В такой системе поток к отдельным радиаторам не может регулироваться, поскольку вся вода протекает через каждый радиатор в зоне. В немного более сложных системах используется «основная» труба, которая непрерывно течет по зоне; отдельные радиаторы отводят небольшую часть потока в основную трубу. В этих системах можно модулировать отдельные излучатели. В качестве альтернативы можно установить несколько контуров с несколькими радиаторами, при этом расход в каждом контуре или зоне контролируется зональным клапаном, подключенным к термостату .
В большинстве систем водоснабжения вода циркулирует с помощью одного или нескольких циркуляционных насосов . Это резко контрастирует с паровыми системами, в которых собственного давления пара достаточно для распределения пара по удаленным точкам системы. Система может быть разбита на отдельные зоны отопления с использованием либо нескольких циркуляционных насосов, либо одного насоса и зональных клапанов с электрическим управлением .
Благодаря внедрению изоляционных материалов произошло значительное улучшение эффективности и, следовательно, эксплуатационных затрат водяной системы отопления.
Трубы системы радиаторной панели покрыты огнестойким, гибким и легким эластомерным резиновым материалом, предназначенным для теплоизоляции. Эффективность обогрева плиты повышается за счет установки теплового барьера из пенопласта. В настоящее время на рынке представлено множество предложений продукции с различными энергетическими характеристиками и способами установки.
Большинство гидравлических систем требуют балансировки . Это включает в себя измерение и настройку расхода для достижения оптимального распределения энергии в системе. В сбалансированной системе каждый радиатор получает достаточно горячей воды, чтобы он мог полностью нагреться.
В бытовых системах может использоваться обычная водопроводная вода, но сложные коммерческие системы часто добавляют в воду различные химические вещества. Например, эти добавленные химические вещества могут:
Все гидравлические системы должны иметь средства для удаления воздуха из системы. Правильно спроектированная безвоздушная система должна продолжать нормально функционировать в течение многих лет.
Воздух вызывает раздражающий шум в системе и нарушает правильную передачу тепла к циркулирующим жидкостям и от них. Кроме того, растворенный в воде кислород , если его уровень не снижается ниже приемлемого уровня, вызывает коррозию . Эта коррозия может привести к образованию ржавчины и накипи на трубопроводах. Со временем эти частицы могут расшататься и перемещаться по трубам, уменьшая или даже блокируя поток, а также повреждая уплотнения насоса и другие компоненты.
В системах с водяным контуром также могут возникнуть проблемы с воздухом. Воздух, находящийся в гидравлических системах водяного контура, можно разделить на три формы:
Различные устройства, такие как ручные и автоматические воздухоотводчики, используются для удаления свободного воздуха, который поднимается к верхним точкам всей системы. Автоматические воздухоотводчики содержат клапан, управляемый поплавком. При наличии воздуха поплавок опускается, позволяя клапану открыться и выпустить воздух. Когда вода достигает (заполняет) клапан, поплавок поднимается, блокируя выход воды. Небольшие (бытовые) версии этих клапанов в старых системах иногда оснащаются фитингом воздушного клапана типа Шредера , и любой захваченный, теперь сжатый воздух можно удалить из клапана, вручную нажимая на шток клапана до тех пор, пока не начнет выходить вода, а не воздух. появляться.
Захваченный воздух — это пузырьки воздуха, которые перемещаются по трубопроводу с той же скоростью, что и вода. Воздушные «совки» являются одним из примеров продуктов, которые пытаются удалить этот тип воздуха.
Растворенный воздух также присутствует в воде системы, и его количество определяется главным образом температурой и давлением (см. Закон Генри ) поступающей воды. В среднем водопроводная вода содержит от 8 до 10% растворенного воздуха по объему.
Удаление растворенного, свободного и увлеченного воздуха может быть достигнуто только с помощью высокоэффективного устройства удаления воздуха, которое включает в себя коалесцирующую среду, которая постоянно вычищает воздух из системы. Устройства сепаратора воздуха тангенциального или центробежного типа ограничиваются удалением только свободного и увлеченного воздуха.
Вода расширяется при нагревании и сжимается при охлаждении. Гидравлическая система с водяным контуром должна иметь один или несколько расширительных баков в системе, чтобы вместить этот изменяющийся объем рабочей жидкости. В этих резервуарах часто используется резиновая диафрагма, находящаяся под давлением сжатого воздуха . Расширительный бак вмещает расширенную воду за счет дальнейшего сжатия воздуха и помогает поддерживать примерно постоянное давление в системе при ожидаемом изменении объема жидкости. Также используются простые цистерны, открытые для атмосферного давления.
Вода также резко расширяется при испарении или превращении в пар. Барботажные трубы могут помочь справиться с вспышкой, которая может возникнуть, когда конденсат под высоким давлением попадает в область более низкого давления. [3]
Гидравлические системы обычно подключаются к водопроводу (например, к общественному водоснабжению). Автоматический клапан регулирует количество воды в системе, а также предотвращает обратный поток системной воды (и любых химикатов для очистки воды) в систему водоснабжения.
Чрезмерное тепло или давление могут привести к выходу системы из строя. В системе всегда устанавливается по крайней мере один комбинированный клапан защиты от перегрева и избыточного давления, который позволяет пару или воде выходить в атмосферу в случае отказа какого-либо механизма (например, регулятора температуры котла), а не позволяет катастрофический разрыв трубопроводов, радиаторов или котла. Предохранительный клапан обычно имеет ручку ручного управления, позволяющую проводить тестирование и промывать загрязнения (например, песок), которые могут вызвать утечку клапана в обычных условиях эксплуатации.
Быстрая конденсация пара также может привести к гидроудару , который при быстром изменении объема от газа к жидкости приводит к возникновению мощной вакуумной силы. Это может привести к повреждению и разрушению фитингов, клапанов и оборудования. Правильная конструкция и установка вакуумных выключателей уменьшают или устраняют риск возникновения этих проблем. [4]