Sistema de aquecimento por circulação natural: diagramas comuns de circuitos de água

A construção de uma rede de aquecimento autônoma do tipo gravidade é escolhida se for impraticável, e às vezes impossível, instalar uma bomba de circulação ou conectar-se a uma fonte de alimentação centralizada.

Esse sistema é mais barato de instalar e é totalmente independente de eletricidade. No entanto, o seu desempenho depende em grande parte da precisão do projeto.

Para que um sistema de aquecimento com circulação natural funcione sem problemas, é necessário calcular os seus parâmetros, instalar corretamente os componentes e selecionar razoavelmente o projeto do circuito de água. Ajudaremos a resolver esses problemas.

Descrevemos os princípios básicos de funcionamento do sistema gravitacional, aconselhamos na escolha de uma tubulação e delineamos as regras para montagem do circuito e colocação de unidades de trabalho. Prestamos especial atenção às características de design e operação dos esquemas de aquecimento de um e dois tubos.

Princípios do processo de circulação natural

O processo de movimentação da água no circuito de aquecimento sem o uso de bomba de circulação ocorre devido às leis físicas naturais.

Compreender a natureza destes processos permitirá desenvolver um projeto de sistema de aquecimento para casos padrão e não padrão.

Diferença máxima de pressão hidrostática

A principal propriedade física de qualquer refrigerante (água ou anticongelante), que facilita seu movimento ao longo do circuito durante a circulação natural, é a diminuição da densidade com o aumento da temperatura.

A densidade da água quente é menor que a da água fria e, portanto, há uma diferença na pressão hidrostática das colunas de líquido quente e fria. A água fria, fluindo para o trocador de calor, desloca a água quente pelo cano.

A força motriz da água no circuito durante a circulação natural é a diferença na pressão hidrostática entre as colunas frias e quentes de líquido

O circuito de aquecimento de uma casa pode ser dividido em vários fragmentos. A água é direcionada para cima ao longo dos fragmentos “quentes” e para baixo ao longo dos fragmentos “frios”.Os limites dos fragmentos são os pontos superior e inferior do sistema de aquecimento.

A principal tarefa na modelagem sistemas de circulação naturalágua é atingir a diferença máxima possível entre a pressão da coluna líquida nos fragmentos “quentes” e “frios”.

Um elemento clássico do circuito de água para circulação natural é o coletor de aceleração (riser principal) - um tubo vertical direcionado para cima a partir do trocador de calor.

O coletor de aceleração deve ter temperatura máxima, por isso é isolado em todo o seu comprimento. Porém, se a altura do coletor não for alta (como nas casas térreas), o isolamento poderá não ser feito, pois a água nele contida não terá tempo de esfriar.

Normalmente, o sistema é projetado de forma que o ponto superior do coletor de aceleração coincida com o ponto superior de todo o circuito. Há uma saída para tanque de expansão aberto ou uma válvula de ventilação se estiver usando um tanque de membrana.

Então o comprimento do fragmento “quente” do circuito é o mínimo possível, o que leva a uma diminuição da perda de calor nesta área.

Também é desejável que a parte “quente” do circuito não seja combinada com uma seção de longo prazo que transporta refrigerante resfriado. Idealmente, o ponto mais baixo do circuito de água coincide com o ponto mais baixo do trocador de calor colocado no dispositivo de aquecimento.

Quanto mais baixa estiver a caldeira no sistema de aquecimento, menor será a pressão hidrostática da coluna de líquido na parte quente do circuito

O segmento “frio” do circuito de água também possui regras próprias que aumentam a pressão do fluido:

• maior será a perda de calor na seção “fria” da rede de aquecimento, quanto menor a temperatura da água e maior a sua densidade, portanto o funcionamento de sistemas com circulação natural só é possível com transferência de calor significativa;
• quanto maior for a distância do ponto inferior do circuito à conexão do radiador, maior será a área da coluna d'água com temperatura mínima e densidade máxima.

Para garantir o cumprimento desta última regra, muitas vezes o forno ou caldeira é instalado no ponto mais baixo da casa, como a cave. Esta colocação da caldeira garante a distância máxima possível entre o nível inferior dos radiadores e o ponto de entrada da água no permutador de calor.

Porém, a altura entre os pontos inferior e superior do circuito de água durante a circulação natural não deve ser muito elevada (na prática, não superior a 10 metros). O forno ou caldeira aquece apenas o trocador de calor e a parte inferior do coletor de aceleração.

Se este fragmento for insignificante em relação a toda a altura do circuito de água, então a queda de pressão no fragmento “quente” do circuito será insignificante e o processo de circulação não será iniciado.

A utilização de sistemas de circulação natural para edifícios de dois andares é bastante justificada, mas para edifícios maiores será necessária uma bomba de circulação

Minimizando a resistência ao movimento da água

Ao projetar um sistema com circulação natural, é necessário levar em consideração a velocidade de movimentação do refrigerante ao longo do circuito.

Primeiramente, quanto maior a velocidade, mais rápida ocorrerá a transferência de calor através do sistema “caldeira - trocador de calor - circuito de água - radiadores de aquecimento - ambiente”.

Em segundo lugar, quanto mais rápida for a velocidade do líquido através do trocador de calor, menor será a probabilidade de ele ferver, o que é especialmente importante para o aquecimento do fogão.

Ferver água no sistema pode ser muito caro - o custo de desmontar, reparar e reinstalar o trocador de calor requer muito tempo e dinheiro

Em sistemas aquecimento por circulação forçada a velocidade do movimento da água depende principalmente dos parâmetros Bomba de circulação.

No aquecimento de água com circulação natural, a velocidade depende dos seguintes fatores:

• diferença de pressão entre fragmentos do contorno em seu ponto inferior;
• resistência hidrodinâmica aquecedor.

Métodos para garantir a diferença máxima de pressão foram discutidos acima. A resistência hidrodinâmica de um sistema real não pode ser calculada com precisão devido ao modelo matemático complexo e ao grande número de dados de entrada, cuja precisão é difícil de garantir.

No entanto, existem regras gerais que, se seguidas, reduzirão a resistência do circuito de aquecimento.

As principais razões para a diminuição da velocidade do movimento da água são a resistência das paredes dos tubos e a presença de estreitamentos devido à presença de acessórios ou válvulas de corte. Em taxas de fluxo baixas, praticamente não há resistência da parede.

A exceção são os tubos longos e finos, típicos para aquecimento com piso aquecido. Via de regra, são alocados circuitos separados com circulação forçada.

Na escolha dos tipos de tubos para um circuito de circulação natural, deverá levar em consideração a presença de restrições técnicas na instalação do sistema. É por isso tubos de metal-plástico É indesejável utilizá-los com circulação natural de água devido à sua ligação com conexões de diâmetro interno significativamente menor.

Acessórios para tubos de metal-plástico estreitam um pouco o diâmetro interno e são um sério obstáculo à água com baixa pressão (+)

Regras para seleção e instalação de tubos

Escolha entre aço ou tubos de polipropileno para qualquer circulação ocorre em função do critério da possibilidade de utilização para água quente, bem como do ponto de vista do preço, facilidade de instalação e vida útil.

O riser de abastecimento é montado a partir de um tubo metálico, pois por ele passa água de maior temperatura e, em caso de aquecimento da estufa ou mau funcionamento do trocador de calor, pode passar vapor.

Com circulação natural, é necessário utilizar um diâmetro de tubo um pouco maior do que quando se utiliza uma bomba de circulação. Normalmente, para aquecimento de salas de até 200 metros quadrados. m, o diâmetro do coletor de aceleração e do tubo na entrada de retorno do trocador de calor é de 2 polegadas.

Isto é causado por uma menor velocidade da água em comparação com a opção de circulação forçada, o que leva aos seguintes problemas:

• redução na quantidade de calor transferido por unidade de tempo da fonte até a sala aquecida;
• o aparecimento de bloqueios ou bolsas de ar, que um pouco de pressão não consegue suportar.

Ao utilizar circulação natural com circuito de alimentação inferior, atenção especial deve ser dada ao problema de retirada de ar do sistema. Não pode ser completamente removido do refrigerante através do tanque de expansão, porque A água fervente entra primeiro nos dispositivos através de uma linha localizada abaixo deles.

Com a circulação forçada, a pressão da água conduz o ar para um coletor de ar instalado no ponto mais alto do sistema - dispositivo com controle automático, manual ou semiautomático. Usando Guindastes Mayevsky Basicamente, a transferência de calor é ajustada.

Nas redes de aquecimento gravitacional com alimentação localizada abaixo dos aparelhos, as torneiras Mayevsky são utilizadas diretamente para sangrar o ar.

Todos os radiadores de aquecimento modernos possuem dispositivos para liberação de ar, portanto, para evitar a formação de tampões no circuito, pode-se fazer um declive, direcionando o ar para o radiador

O ar também pode ser removido usando saídas de ar instaladas em cada riser ou em uma linha aérea colocada paralelamente à rede elétrica do sistema. Devido ao número impressionante de dispositivos de exaustão de ar, os circuitos gravitacionais com fiação inferior são usados ​​​​muito raramente.

Com baixa pressão, uma pequena câmara de ar pode parar completamente o sistema de aquecimento. Assim, de acordo com o SNiP 41-01-2003, não é permitida a instalação de tubulações de sistemas de aquecimento sem declive com velocidade da água inferior a 0,25 m/s.

Com a circulação natural, essas velocidades são inatingíveis. Portanto, além de aumentar o diâmetro das tubulações, é necessário manter inclinações constantes para retirar o ar do sistema de aquecimento. A inclinação é calculada na proporção de 2-3 mm por 1 metro, nas redes de apartamentos a inclinação chega a 5 mm por metro linear da linha horizontal.

A inclinação do abastecimento é feita no sentido do movimento da água para que o ar se desloque para o tanque de expansão ou sistema de purga de ar localizado no ponto superior do circuito. Embora seja possível fazer uma contra-inclinação, neste caso é necessário instalar adicionalmente válvula de ventilação.

A inclinação da linha de retorno geralmente é feita na direção do movimento da água gelada. Então o ponto mais baixo do circuito coincidirá com a entrada do tubo de retorno ao gerador de calor.

A combinação mais comum de direções de inclinação dos tubos de alimentação e retorno para remover bolsas de ar de um circuito de água com circulação natural

No instalação de pisos aquecidos numa pequena área num circuito com circulação natural, é necessário evitar a entrada de ar nas tubagens estreitas e localizadas horizontalmente deste sistema de aquecimento.É necessário instalar um dispositivo de remoção de ar na frente do piso aquecido.

Esquemas de aquecimento de tubo único e dois tubos

Ao desenvolver um esquema de aquecimento para uma casa com circulação natural de água, é possível projetar um ou vários circuitos separados. Eles podem diferir significativamente um do outro. Independentemente do comprimento, número de radiadores e outros parâmetros, eles são feitos de acordo com o esquema de tubo único ou de dois tubos.

Circuito usando uma linha

Um sistema de aquecimento que utiliza o mesmo tubo para abastecimento sequencial de água aos radiadores é denominado tubo único. A opção mais simples de tubo único é o aquecimento com tubos de metal sem o uso de radiadores.

Esta é a forma mais barata e menos problemática de aquecer uma casa ao escolher a circulação natural do refrigerante. A única desvantagem significativa é o aparecimento de tubos volumosos.

No mais econômico versão de tubo único Com radiadores de aquecimento, a água quente flui sequencialmente através de cada dispositivo. Aqui é necessário um número mínimo de tubos e válvulas de corte.

Enquanto vais refrigerante esfria, então os radiadores subsequentes recebem água mais fria, o que deve ser levado em consideração no cálculo do número de seções.

Um circuito simples de tubo único (acima) requer um mínimo de trabalho de instalação e investimento. A opção mais complexa e cara abaixo permite desligar os radiadores sem parar todo o sistema

A maneira mais eficaz de conectar dispositivos de aquecimento a uma rede de tubo único é considerada a opção diagonal.

De acordo com este esquema de circuitos de aquecimento com circulação natural, a água quente entra no radiador por cima e, após o resfriamento, é descarregada pela tubulação localizada abaixo.Ao passar desta forma, a água aquecida emite a quantidade máxima de calor.

Quando os tubos de entrada e saída estão conectados à bateria na parte inferior, a transferência de calor é significativamente reduzida, porque o líquido refrigerante aquecido tem que percorrer o caminho mais longo possível. Devido ao resfriamento significativo, baterias com grande número de seções não são utilizadas em tais circuitos.

“Leningradka” é caracterizada por perdas de calor impressionantes, que devem ser levadas em consideração no cálculo do sistema. Sua vantagem é que ao utilizar válvulas de corte nas tubulações de entrada e saída, os dispositivos podem ser desligados seletivamente para reparos sem interromper o ciclo de aquecimento (+)

Os circuitos de aquecimento com conexão semelhante de radiadores são chamados de “Leningradka". Apesar das notadas perdas de calor, são preferidos na disposição de sistemas de aquecimento residencial, o que se deve ao aspecto mais estético da tubulação.

Uma desvantagem significativa das redes monotubo é a impossibilidade de desligar uma das seções de aquecimento sem interromper a circulação da água em todo o circuito.

Portanto, costumam utilizar uma modernização do esquema clássico com a instalação “desviar» desviar o radiador através de um ramal com duas válvulas de esfera ou uma válvula de três vias. Isso permite regular o abastecimento de água ao radiador, inclusive desligando-o completamente.

Para edifícios de dois ou mais andares, são utilizadas variantes de esquema de tubo único com risers verticais. Neste caso, a distribuição da água quente é mais uniforme do que nos risers horizontais. Além disso, os tirantes verticais são mais curtos e se adaptam melhor ao interior da casa.

Um esquema de tubo único com fiação vertical é usado com sucesso no aquecimento de salas de dois andares usando circulação natural. Foi apresentada uma opção com a capacidade de desativar os radiadores superiores

Opção usando um tubo de retorno

Quando um tubo é usado para fornecer água quente aos radiadores e o segundo para drenar a água resfriada para uma caldeira ou forno, esse esquema de aquecimento é chamado de sistema de aquecimento de dois tubos. Na presença de radiadores de aquecimento, esse sistema é usado com mais frequência do que um sistema de tubo único.

É mais caro, pois requer a instalação de um tubo adicional, mas apresenta uma série de vantagens significativas:

• distribuição de temperatura mais uniforme refrigerante fornecido aos radiadores;
• mais fácil de calcular dependência dos parâmetros do radiador da área da sala aquecida e dos valores de temperatura exigidos;
• controle de calor mais eficiente para cada radiador.

Dependendo da direção do movimento da água gelada em relação à água quente, sistemas de dois tubos dividido em passagem e beco sem saída. Nos circuitos associados, o movimento da água resfriada ocorre na mesma direção da água quente, portanto a duração do ciclo para todo o circuito é a mesma.

Em circuitos sem saída, a água resfriada se move em direção à água quente, portanto, para diferentes radiadores, a duração dos ciclos de circulação do líquido refrigerante é diferente. Como a velocidade do sistema é baixa, o tempo de aquecimento pode variar significativamente. Os radiadores cuja duração do ciclo da água é mais curta aquecerão mais rapidamente.

Ao escolher becos sem saída e esquemas de aquecimento associados, eles partem principalmente da conveniência de instalar o tubo de retorno

Existem dois tipos de localização da camisa em relação aos radiadores de aquecimento: superior e inferior.Na ligação superior, o tubo de abastecimento de água quente encontra-se por cima dos radiadores de aquecimento e, na ligação inferior, por baixo.

Com uma ligação inferior, é possível retirar o ar através dos radiadores e não há necessidade de passar tubos por cima, o que é bom do ponto de vista da concepção da divisão.

No entanto, sem um coletor de aceleração, a queda de pressão será muito menor do que quando se utiliza a linha superior. Portanto, o revestimento inferior praticamente não é utilizado no aquecimento de ambientes de acordo com o princípio da circulação natural.

Conclusões e vídeo útil sobre o tema

Organização de um circuito monotubo baseado em caldeira elétrica para uma pequena casa:

Operação de um sistema de dois tubos para uma casa térrea de madeira baseada em uma caldeira de combustível sólido de longa queima:

A utilização da circulação natural durante o movimento da água no circuito de aquecimento requer cálculos precisos e trabalhos de instalação tecnicamente competentes. Se estas condições forem satisfeitas, o sistema de aquecimento aquecerá eficientemente as instalações de uma casa privada e aliviará os proprietários do ruído da bomba e da dependência da eletricidade.

Se você tiver alguma dúvida sobre o tema ou quiser compartilhar sua experiência pessoal na organização e operação de um sistema de aquecimento por gravidade, deixe comentários neste artigo. O bloco de feedback está localizado abaixo.