Устройство циркуляционного насоса для систем отопления. Принцип работы циркуляционного насоса

Насосы для колодцев

Циркуляционные насосы монтируют в системы отопления для перемещения теплоносителя от котла к радиаторам и обратно. Принудительная циркуляция нагретой воды позволяет добиться быстрого и равномерного прогрева всех помещений здания. Приборы компактны, экономичны, незаметны, но именно от них во многом зависит качество обогрева. Их с успехом используют в системах с двумя контурами, например, при монтаже комбинированного отопления – радиаторы плюс теплый пол. При подборе циркуляционного насоса следует рассчитать гидравлическое давление в системе, производительность самого прибора, учесть некоторые нюансы.

Какие бывают циркуляционные насосы и чем различаются

Устройство и принцип работы всех циркуляционных насосов схожи. Приборы состоят из прочного нержавеющего корпуса, одно- или трехфазного электродвигателя, ротора и вращающейся крыльчатки. При включении электродвигателя он вращает ротор с крыльчаткой, благодаря чему создается пониженное давление и вода поступает в прибор, а лопастное колесо выбрасывает жидкость через выводной патрубок в систему отопления.

Упрощенная схема работы циркуляционного насоса в системе отопления дома

Различают «сухие» и «мокрые» конструкции. В первых ротор закрыт от воды специальным уплотнительным кольцом, а во вторых контактирует с теплоносителем. «Сухие» насосы сложнее в монтаже, требуют регулярного осмотра и обслуживания, зато более производительны и долговечны. «Мокрые» не нужно обслуживать, они более долговечны, но их КПД примерно на 20% ниже.

В частных домах обычно устанавливают «мокрые» насосы, отдавая должное их бесшумной работе. А в котельных, рассчитанных на обогрев крупных зданий или нескольких построек, чаще применяют «сухие» приборы из-за более высокой производительности.

Критерии выбора насосов: какие характеристики учитывать в первую очередь

Производительность. Этот показатель определяет объем жидкости, который перекачивает насос за единицу времени. При расчете производительности не учитываются потери. Соотношение заявленной производительности и реальной выражают через КПД.

Напор. От давления, которое создает прибор в системе отопления, зависит скорость и качество прогрева помещений.

Условия работы. Имеют значение все условия – кубатура помещения, вид и температура теплоносителя, диаметр труб и т.д.

Дополнительные условия. При установке насоса в доме принципиальное значение приобретают дополнительные факторы – уровень шума во время работы, габариты, сложность монтажа и обслуживания. Если прибор выбирают для отдельной котельной, в которой работа системы постоянно контролируется, то эти характеристики менее важны.

Правильно установленный насос. Условия для проверки работоспособности

Как рассчитать требуемую производительность насоса

Стандартная формула для определения производительности насоса (Q) выглядит так:

Q=0,86R/TF-TR, где

R – требуемая тепловая мощность;

TF – температура теплоносителя на входе в систему;

TR – температура теплоносителя на выходе.

Нормативы потребности помещения в тепле (R) в разных странах различаются. Обычно это 70-100 Вт/кв.м. Помимо теоретических расчетов имеет значение степень теплоизоляции здания. Чем выше теплопотери в помещении, тем более производительное оборудование требуется для его обогрева.

Если дом качественно утеплен, а зимой не бывает сильных морозов, показатель R может составлять 30-50 Вт/кв.м. Примерно такую же требуемую тепловую мощность закладывают в основу расчетов производительности оборудования для помещений производственного назначения.

Таблица тепловой мощности для помещений с разной теплоизоляцией

Формула расчета гидравлического сопротивления

H=1,3*(R1L1+R2L2+Z1+Z2+…+ZN)/10000, где

R – потери давления;

L – длина трубы,

1 – подающий трубопровод;

2 – обратный трубопровод;

Z – сопротивление каждого конкретного элемента системы.

Показатели потери давления (R) можно определить по специальной таблице, предложенной ниже, а сопротивление (Z), которое создают фитинги и арматура, есть в техпаспортах. Если технические описания утеряны, можно определить сопротивление примерно – в процентах от общего сопротивления в прямых отрезках труб. На смесителе системы управления потери составляют до 20%, на терморегулирующем вентиле – до 70%, на фитингах – до 30%.

Обратите внимание! Приведенная формула – самая простая. Существуют более сложные алгоритмы вычисления производительности. Если возникают трудности, обратитесь к специалистам, которые помогут спроектировать систему и подобрать оборудование.

Таблица для определения гидравлического сопротивления

Ручная и автоматическая регулировка скоростей в современных моделях

Выбор марок и моделей насосов огромен. Многие современные приборы оснащены переключателями скоростей, которые позволяют контролировать температурный режим в помещениях. Обычно это трехскоростные модели. В периоды похолодания увеличивают скорость перемещения теплоносителя по трубопроводам, а при потеплении уменьшают. Это очень удобно с точки зрения экономии потребляемой электроэнергии и поддержания комфортного теплового режима.

Есть модели с ручными переключателями, а есть и такие, которые управляются автоматически и меняют скорость при понижении или повышении температуры наружного воздуха. При подборе циркуляционного насоса с несколькими режимами работы обычно ориентируются на максимальную расчетную нагрузку и покупают модель, характеристики которой соответствуют этим расчетам или несколько ниже. Если есть регулировка скоростей, брать насос «с запасом» мощности нецелесообразно.

Циркуляционный насос с регулировкой скоростей для системы отопления дома

Как подобрать циркуляционный насос для теплого пола

Существуют специальные циркуляционные насосы, предназначенные для установки в системах теплого пола. Они устроены так же, как и модели для водяного радиаторного отопления, но дополнительно оснащены трехходовым клапаном. Можно купить обычный насос, клапан и самостоятельно собрать смесительный узел или же приобрести готовую конструкцию. Как правило, первый вариант обходится дешевле, а второй – удобнее. При наличии навыков модернизации приборов лучше все сделать самому. Клапан можно выбрать с ручной или автоматической регулировкой. Второй вариант предпочтительней.

Какая модель лучше для отопления теплиц

Многие владельцы теплиц обустраивают системы отопления с естественной циркуляцией. Это самый простой и дешевый вариант. Зачастую циркуляционный насос – непозволительная роскошь, если обогрев необходим лишь несколько недель в году. Если же теплица или оранжерея должны обогреваться в течение всего отопительного сезона, без насоса не обойтись. В этом случае его выбирают по тем же критериям, что и для дома. Лучше всего подойдет модель с автоматической регулировкой скоростей. Это позволит поддерживать нужный температурный режим в теплице без участия человека, и при резком похолодании растения не перемерзнут.

Устройство системы обогрева теплицы

При подборе циркуляционного насоса обращайте внимание на производителя. Популярные марки – Grundfos, Wita, Speroni, Wilo, Wester. Претензии к их качеству бывают крайне редко. Приборы работают долго и безотказно, стоимость – приемлемая. От приобретения «китайцев» лучше отказаться. Разница в цене с «авторитетными» брендами не так уж велика, зато в качестве очень заметна. Китайские модели часто не отвечают заявленным характеристикам, шумят при работе, быстро выходят из строя. Экономия на насосе обернется дополнительными расходами – проверено.

Видео: как выбрать насос

Организовывая отопление загородного дома, важно учесть метраж жилища. Если это не маленькая дача, а двух или трёхэтажный дом, в котором общая площадь исчисляется сотнями квадратных метров, то для решения отопительных задач будет недостаточно естественной циркуляции теплоносителя. В таких системах давление в трубопроводе не будет выше 0,6 мПа и для эффективного движения горячей воды в системе нужно произвести подключение циркуляционного насоса. Чтобы правильно выбрать такой агрегат, подобрать подходящее место для установки, нужно понимать принцип работы этого прибора.

Особенности агрегата

Циркуляционный насос – это прибор, работающий в замкнутой отопительной системе и выполняющий перемещение воды в трубопроводе. Агрегат поддерживает определённую температуру теплоносителя в системе. Прибор не восполняет потери теплоносителя и не наполняет систему. Наполнение системы осуществляется за счёт специального насоса либо определённого давления в трубах.

Принцип действия циркуляционного насосного оборудования основан на создании непрерывной циркуляции жидкости в системе без изменения показателя давления. Поскольку после установки прибор работает постоянно, главные требования к таким насосам – это низкий уровень шума при работе, экономное энергопотребление, надёжность, долговечность и простота использования.

Важно: циркуляционные насосы – это компактные приборы, которые не занимают много места и не создают шум при работе.

Сфера использования циркуляционных агрегатов для отопительных систем довольно обширная. Они устанавливаются:

в традиционных радиаторных системах;
при обустройстве водяного тёплого пола;
в геотермальных системах;
при организации горячего водоснабжения коттеджей и дач.

В отличие от систем принудительной циркуляции, данное насосное оборудование не нуждается в трубах с увеличенным диаметром. Кроме этого прибор имеет следующие преимущества:

быстрота нагревания помещения;
котёл можно установить в любое подходящее место;
потери теплоносителя и воздушные пробки сведены к минимуму;
за счёт термореле обеспечивается автоматическое управление температурными режимами;
затраты на электроэнергию снижаются благодаря использованию авторегулировки частоты вращения ротора;
поскольку в приборы отопления постоянно подаётся жидкость, продлевается срок их эксплуатации.

Разновидности циркуляционных насосов

Чтобы понять, как работает это прибор, необходимо знать отличия между двумя видами циркуляционного насосного оборудования. Хоть принципиально схема системы отопления на базе теплового насоса не меняется, два вида таких агрегатов отличаются особенностями работы:

Насос с «мокрым» ротором выполняется в корпусе из нержавеющей стали, чугуна, бронзы или алюминия. Внутри находится керамический или стальной двигатель. Крыльчатка из технополимера крепится на валу ротора. При вращении лопастей крыльчатки приводится в движение вода в системе. Эта вода одновременно выполняет функции охладителя двигателя и смазки для рабочих элементов прибора. Поскольку схема «мокрого» прибора не предусматривает использования вентилятора, работа агрегата проходит практически бесшумно. Такое оборудование работает только в горизонтальном положении, иначе прибор просто перегреется и выйдет из строя. Главные преимущества мокрого насоса в том, что он не нуждается в техническом обслуживании, а также обладает отличной ремонтопригодностью. Однако КПД прибора всего 45 %, что является небольшим недостатком. Но для бытового использования этот агрегат подходит как нельзя лучше.
Насос с «сухим» ротором отличается от своего собрата тем, что его двигатель не соприкасается с жидкостью. В связи с этим агрегат обладает меньшей долговечностью. Если прибор будет работать «на сухую», то риск перегрева и выхода из строя невысокий, однако появляется угроза нарушения герметичности из-за истирания уплотнителя. Поскольку КПД сухого циркуляционного насоса составляет 70 %, его целесообразно применять для решения коммунальных и производственных задач. Для охлаждения двигателя схема прибора предусматривает использование вентилятора, который и вызывает повышение уровня шума во время работы, что является недостатком этой разновидности насосов. Поскольку в данном агрегате вода не выполняет функции смазки для рабочих элементов, в ходе работы агрегата периодически необходимо проводить техосмотр и выполнять смазку деталей.

В свою очередь «сухие» циркуляционные агрегаты по типу установки и соединения с двигателем делятся на несколько видов:

Консольные. В этих приборах у двигателя и корпуса есть своё место. Они разделены и прочно зафиксированы на нём. Приводной и рабочий вал такого насоса объединяет муфта. Для установки такой разновидности прибора потребуется соорудить фундамент, а обслуживание этого агрегата довольно затратное.
Моноблочные насосы могут эксплуатироваться на протяжении трёх лет. Корпус и двигатель располагаются отдельно, но объединяются моноблоком. Колесо в таком приборе устанавливается на валу ротора.
Вертикальные. Срок использования этих приборов доходит до пяти лет. Это герметичные усовершенствованные агрегаты с уплотнителем с торцевой стороны, изготовленным из двух отполированных колец. Для изготовления уплотнителей используется графит, керамика, нержавеющая сталь, алюминий. Когда прибор работает, эти кольца вращаются относительно друг друга.

Также в продаже есть более мощные приборы, имеющие два ротора. Такая сдвоенная схема позволяет повысить производительность прибора при максимальной нагрузке. В случае выхода одного из роторов, второй может взять на себя его функции. Это позволяет не только усилить действие агрегата, но и экономить электроэнергию, ведь при снижении потребностей в тепле, работает только один ротор.

Как работает агрегат?

Принцип действия циркуляционного агрегата очень схож с работой дренажного насоса. Если этот прибор установить в отопительную систему, то он будет вызывать движение теплоносителя за счёт захватывания жидкости с одной стороны и нагнетания её в трубопровод с другой стороны. Всё это происходит за счёт центробежной силы, которая образуется в процессе вращения колеса с лопастями. В ходе работы прибора давление в расширительном баке не изменяется. Если требуется повысить уровень теплоносителя в отопительной системе, устанавливают повышающий насос. Циркуляционный агрегат только способствует преодолению водой силы сопротивления.

Схема установки прибора выглядит так:

На трубопроводе с горячей водой, поступающей от нагревателя, устанавливается циркуляционный насос.
На отрезке магистрали между насосным оборудованием и нагревателем монтируется пропускной клапан.
Трубопровод между пропускным клапаном и циркуляционным насосом соединяется байпасом с обратным трубопроводом.

Такая схема установки подразумевает выброс теплоносителя из прибора только в том случае, если агрегат заполнен водой. Чтобы длительно удерживать жидкость в колесе, на конце трубопровода сооружается приёмник, оборудованный обратным клапаном.

Циркуляционные насосы, используемые в бытовых целях, могут развивать скорость теплоносителя до 2 м/с, а агрегаты, применяемые в промышленной области, ускоряют теплоноситель до 8 м/с.

Стоит знать: любой вид циркуляционного насоса работает от электросети. Это довольно экономичное оборудование, поскольку мощность двигателя у крупных производственных насосов составляет 0,3 кВт, а у приборов бытового назначения – всего 85 Вт.

Устройство насоса

Главными элементами, из которых состоит циркуляционный насос, являются:

корпус из нержавеющей стали, бронзы, чугуна или алюминия;
роторный вал и ротор;
колесо с лопастями или крыльчатка;
двигатель.

Как правило, рабочее колесо – это конструкция из двух параллельных дисков, которые соединяются друг с другом посредством радиально выгнутых лопастей. В одном из дисков есть отверстие для протекания жидкости. Второй диск фиксирует крыльчатку на валу электродвигателя. Теплоноситель, проходящий через двигатель, выполняет функции смазки и охладителя для роторного вала в месте фиксирования рабочего колеса.

Поскольку статор двигателя находится под напряжением, он отделяется от ротора при помощи стакана, выполненного из нержавейки или углеродистого материала. Стенки стакана толщиной 0,3 мм. Ротор фиксируется на керамических или графитовых подшипниках для скольжения.

Сжигание классического топлива (газ, дрова, торф) является одним из древних способов получения тепла. Однако истощение традиционных источников энергии побудили человека искать более сложные, но не менее эффективные альтернативные варианты. Одним из ни стало изобретение теплового насоса, работа которого основана на школьных законах физики.

Работа теплового насоса

Очень сложный на первый взгляд принцип работы тепловых насосов базируется на нескольких простых законах термодинамики и свойствах жидкостей и газов:

Когда газ переходит в жидкое состояние (конденсация), выделяется тепло
Когда жидкость переходит в газ (испарение), поглощается тепло

Большинство жидкостей могут закипать при достаточно высоких температурах, близких к 100 градусам. Но встречаются вещества и с достаточно низкими температурами кипения. У фреона она около 3-4 градусов. Превращаясь в газ, он легко сжимается и внутри емкости начинает расти температура.

Теоретически фреон можно сжимать до получения любых желаемых температур, но на практике ограничиваются 80-90 градусами, необходимыми для полноценной работы классической системы отопления.

Каждый сталкивается с тепловым насосом не один раз в день, когда проходит мимо холодильника. Однако в нем он работает в обратном направлении, забирая тепло продуктов и рассеивая в атмосферу.

Видео о технологии работы:

Схема теплового насоса

Работоспособность большинства тепловых насосов базируется на тепле грунта, в котором на протяжении года температура практически не колеблется (в пределах 7-10 градусов). Тепло перемещается между тремя контурами:

Контур отопления
Тепловой насос
Рассольный (он же земляной) контур

Классический принцип работы тепловых насосов в отопительной системе состоит из следующих элементов:

Теплообменник, отдающий внутреннему контуру тепло, забираемое у земли
Сжимающее устройство
Второе теплообменное устройство, передающее отопительной системе энергию, получаемую во внутреннем контуре
Механизм, понижающий давление в системе (дросселе)
Рассольный контур
Земляной зонд
Отопительный контур

Труба, которая выполняет роль первичного контура, помещается в колодец или закапывается непосредственно в землю. По ней перемещается незамерзающий жидкий теплоноситель, температура которого повышается до аналогичной характеристики земли (около +8 градусов) и поступает во второй контур.

Вторичный контур забирает тепло у жидкости. Циркулирующий внутри фреон начинает закипать и преобразовываться в газ, который направляется в компрессор. Поршень сжимает его до 24-28 атм, благодаря чему происходит увеличение температуры до +70-80 градусов.

На данном рабочем этапе происходит концентрирование энергии в один небольшой сгусток. Благодаря этому увеличивается температура.

Разогретый газ поступает в третий контур, который представлен системами горячего водоснабжения или даже отопления дома. При передаче тепла возможны потери до 10-15 градусов, но они оказываются не существенны.

Когда фреон остывает, происходит уменьшение давления, и он вновь превращается в жидкое состояние. При температуре 2-3 градуса он поступает обратно во второй контур. Цикл повторяется снова и снова.

Основные виды

Устроен принцип работы тепловых насосов так, чтоб они легко эксплуатировались без перебоев в широком диапазоне температур – от -30 до +40 градусов. Наибольшую популярность получили следующие два вида моделей:

Абсорбционного типа
Компрессионного типа

Абсорбционного типа модели имеют достаточно сложное устройство. Они передают полученную тепловую энергию непосредственно при помощи источника. Их эксплуатация значительно снижает материальные затраты на расходующиеся электричество и топливо. Компрессионного типа модели для переноса тепла потребляют энергию (механическую и электрическую).

В зависимости от применяемого теплового источника насосы подразделяются на следующие виды:

Перерабатывающие вторичное тепло – самые дорогостоящие модели, получившие популярность для обогрева объектов в промышленности, в которых вторичное тепло, вырабатываемое другими источниками, расходуется в никуда
Воздушные – забирающие тепло из окружающего воздуха
Геотермальные – выбирают тепло из воды или земли

По видам входного/выходного все модели можно классифицировать следующим образом – грунт, вода, воздух и их различные сочетания.

Геотермальные тепловые насосы

Популярными являются геотермальные модели насосов, которые подразделяются на два вида: замкнутого или открытого типа.

Простое устройство открытых систем позволяет нагревать проходящую внутри воду, которая в последствии вновь поступает в землю. Идеально она работает при наличии неограниченного объема чистого жидкого теплоносителя, который после потребления не наносят вред среде.

Замкнутые системы геотермальных тепловых насосов делят на следующие разновидности:

Водный – располагается в водоеме на непромерзаемой глубине
С вертикальным расположением – коллектор помещается в скважину на глубину до 200 м и применим в местностях с неровным ландшафтом
С горизонтальным расположением – коллектор помещается в землю на глубину 0.5-1 м, очень важно обеспечить на ограниченной площади большой контур

Насос типа воздух-вода

Одним из наиболее универсальных вариантов является модель «воздух-вода». В теплые периоды года она весьма эффективна, но зимой производительность может существенно падать.

Преимуществом системы является простой монтаж. Подходящее оборудование может монтироваться в любом удобном месте, например, на крыше. Тепло, которые в виде газа или дыма удаляется из помещения, может использоваться повторно.

Тип вода-вода

Тепловой насос «вода-вода» один из самых эффективных. Но его использование может быть ограничено наличием поблизости водоема или недостаточной глубиной, на которой в зимний период не наблюдается существенного падения температуры.

Низко потенциальная энергия может выбираться из следующих источников:

Грунтовые вода
Водоемы открытого типа
Сточные промышленные воды

Наиболее прост принцип работы тепловых насосов у моделей, отбирающих тепло в водоеме. Если принято решение использовать подземные воды, может потребоваться бурение колодца.

Тип грунт-вода

Тепло из грунта можно получать на протяжении всего года, так как на глубинах от 1 м температура практически не меняется. В качестве носителя тепла используют «рассол» - незамерзающую жидкость, которая циркулирует .

Один из недостатков системы «грунт-вода» - необходимость большой площади для достижения желаемой эффективности. Нивелировать его стараются укладкой труб кольцами.

Коллектор можно располагать в вертикальном положении, но потребуется скважина глубиной до 150 м. На дне монтируются зонты, отбирающие тепло грунта.

Плюсы и минусы отопительных систем с тепловым насосом

Тепловые насосы нашли широкое применение в системах отопления частной жилой площади или промышленных площадей. Они постепенно вытесняют более классические источники энергии благодаря надежности и экономичности.

Среди многочисленных преимуществ, которые предоставляет эксплуатация теплового насоса, выделяют:

Экономия материальных средств на техническом обслуживании систем и теплоносителе
Насосы работают полностью в автономном режиме
В окружающую среду не выделяются вредные продукты горения и прочие токсичные вещества
Пожаробезопасность монтируемого оборудования
Возможность легко реверсировать работу системы

Несмотря на массу преимуществ, необходимо принять во внимание и отрицательные стороны эксплуатации теплового насоса:

Большие первоначальные вложения на обустройства отопительной системы – от 3 до 10 тысяч долларов
В холодные периоды, когда температура отпускается ниже -15 градусов, необходимо подумать об альтернативных вариантах отопления
Отопление, основанное на работе теплового насоса, наиболее эффективно только в системах низкотемпературным теплоносителем

Еще одно схематичное видео:

Подводим итоги

Узнав и освоив принцип работы теплового насоса, можно подумать и принять решение о целесообразности его установки и использования. Первоначальные затраты, которые могут показаться очень масштабными, в скором времени окупятся и начнут приносить своеобразную прибыль в виде экономии на классическом топливе.