COMHá uma opinião de que o aquecimento gravitacional é um anacronismo em nossa era do computador. Mas e se você construiu uma casa em uma área onde ainda não há eletricidade ou onde o fornecimento de energia é muito intermitente? Neste caso, terá de se lembrar da maneira antiga de organizar o aquecimento. Veja como organizar o aquecimento gravitacional, e falaremos neste artigo.
Sistema de aquecimento por gravidade
O sistema de aquecimento gravitacional foi inventado em 1777 pelo físico francês Bonneman e foi projetado para aquecer uma incubadora.
Mas apenas a partir de 1818, o sistema de aquecimento gravitacional se tornou onipresente na Europa, embora até agora apenas para estufas e estufas. Em 1841, o inglês Hood desenvolveu um método de cálculo térmico e hidráulico de sistemas de circulação natural. Ele conseguiu provar teoricamente a proporcionalidade das taxas de circulação do refrigerante às raízes quadradas da diferença de alturas do centro de aquecimento e do centro de resfriamento, ou seja, a diferença de altura entre a caldeira e o radiador. A circulação natural do refrigerante em sistemas de aquecimento foi bem estudada e possuía uma poderosa base teórica.
Mas, com o advento dos sistemas de aquecimento por bombeamento, o interesse dos cientistas no sistema de aquecimento gravitacional tem desaparecido gradativamente. Atualmente, o aquecimento gravitacional é superficialmente iluminado nos cursos do instituto, o que tem levado ao analfabetismo de especialistas que instalam esse sistema de aquecimento. É uma pena dizer, mas os instaladores que constroem aquecimento gravitacional usam principalmente o conselho de "experientes" e aqueles requisitos escassos que são definidos nos documentos regulamentares. Vale lembrar que os documentos normativos apenas ditam requisitos e não explicam os motivos do surgimento de um determinado fenômeno. A este respeito, entre os especialistas existe um número suficiente de equívocos, que gostaria de dissipar um pouco.
Primeiro encontro
Você já se perguntou o que faz a água fluir pelos radiadores?
Num edifício de apartamentos, tudo é claro: a circulação é criada por uma diferença de pressão entre as tubagens de alimentação e de retorno da rede de aquecimento. É claro que se a pressão for maior em um tubo e menor no outro, a água começará a se mover no circuito que os fecha.
Em residências particulares, os sistemas de aquecimento costumam ser autônomos, usando eletricidade ou o calor da combustão de vários tipos de combustível. Neste caso, o refrigerante é acionado, via de regra, por uma bomba de circulação de aquecimento - um impulsor com motor elétrico de baixa potência (até 100 watts).
Mas as bombas elétricas surgiram muito mais tarde do que o aquecimento de água. Como você conseguiu sem eles antes? Certamente esta experiência pode ser usada agora ...
Era uma vez, as caldeiras não eram equipadas com bombas. O aquecimento, no entanto, funcionou.
Foi utilizada a circulação natural de água aquecida. A expansão térmica dá origem à chamada convecção: quando aquecida, qualquer substância diminui sua densidade e é deslocada para cima pelas massas circundantes mais densas. Se estamos falando de um volume fechado - ao seu ponto superior.
Se você criar um contorno com a forma apropriada, a convecção pode ser usada para mover constantemente o refrigerante em um círculo.
Um sistema com circulação natural é, em termos simples, dois vasos comunicantes ligados por tubos (circuito de aquecimento) em anel. O primeiro recipiente é uma caldeira, o segundo é um dispositivo de aquecimento.
Atenção: para ser preciso em analogias, o primeiro vaso onde a convecção põe a água em movimento, seria mais correto nomear a caldeira junto com o coletor de aceleração - a seção vertical do circuito a partir da caldeira. Quanto maior for a altura total deste navio, maior será a velocidade que ele dará ao líquido de arrefecimento ascendente.
Na caldeira, a água, aquecida, sobe. A natureza abomina o vazio e é substituída por água de radiador mais fria (e mais densa). O refrigerante quente entra no radiador e esfria lá, afundando gradualmente em sua parte inferior e, em seguida, por um segundo ciclo na caldeira.
Várias medidas irão acelerar a circulação em um sistema fechado:
- A caldeira é reduzida o mais baixo possível em relação aos dispositivos de aquecimento. Se possível, é levado para o porão.
A velocidade de circulação no circuito depende linearmente da altura H no diagrama.
- O coletor de reforço geralmente termina no teto ou mesmo no sótão. Lá está instalado um tanque de expansão para aquecimento.
- Uma inclinação constante do tanque de expansão em direção à caldeira também promoverá a circulação. A água de resfriamento se moverá ao longo do vetor de gravidade por todo o caminho através dos dispositivos de aquecimento.
Além disso, ao projetar esse sistema de aquecimento com suas próprias mãos, você precisa entender uma coisa. A taxa de circulação é influenciada por dois fatores que interagem: o diferencial no circuito e sua resistência hidráulica.
De que depende o último parâmetro?
- Do diâmetro do recheio... Quanto maior for, mais fácil será para a água fluir pelo tubo.
- Do número de voltas e curvas do contorno... Quanto mais deles, maior é a resistência do circuito ao fluxo. É por isso que tentam fazer o contorno o mais próximo possível de uma linha reta (tanto quanto a forma do edifício permite, é claro).
- Do número e tipos de válvulas... Cada válvula, válvula gaveta, válvula de retenção resiste ao fluxo de água.
Consequência: as próprias válvulas de corte no circuito de aquecimento principal devem ter uma folga no estado aberto que seja o mais próximo possível do lúmen do tubo. Se o circuito for aberto por uma válvula, então única e exclusivamente com uma válvula de esfera moderna. Os cursos estreitos e a forma complexa da válvula de parafuso proporcionam uma perda de carga muito maior.
Quando aberta, a válvula de esfera tem a mesma folga que o tubo que conduz a ela. A resistência hidráulica ao fluxo de água é mínima.
Normalmente os sistemas de gravidade são abertos, com um vaso de expansão com vazamento. Ele não apenas acomoda o excesso de refrigerante quando aquecido: bolhas de ar são deslocadas para dentro dele quando o sistema de descarga é preenchido. Quando o nível da água cai, ela é simplesmente recarregada no tanque.
Aquecimento por gravidade clássico de dois tubos
Para entender o princípio de operação de um sistema de aquecimento gravitacional, considere um exemplo de um sistema gravitacional clássico de dois tubos, com os seguintes dados iniciais:
- o volume inicial do refrigerante no sistema é de 100 litros;
- altura do centro da caldeira à superfície do refrigerante aquecido no tanque H = 7 m;
- distância da superfície do refrigerante aquecido no tanque até o centro do radiador do segundo nível h1 = 3 m,
- distância ao centro do radiador do primeiro nível h2 = 6 m.
- A temperatura na saída da caldeira é de 90 ° C, na entrada da caldeira - 70 ° C.
A pressão de circulação efetiva para o radiador de segunda linha pode ser determinada pela fórmula:
Δp2 = (ρ2 - ρ1) g (H - h1) = (977 - 965) 9,8 (7 - 3) = 470,4 Pa.
Para o radiador da primeira camada, será:
Δp1 = (ρ2 - ρ1) g (H - h1) = (977 - 965) 9,8 (7 - 6) = 117,6 Pa.
Para tornar o cálculo mais preciso, é necessário levar em consideração o resfriamento da água nas tubulações.
Vantagens e desvantagens
Benefícios de um sistema de aquecimento gravitacional:
- alta confiabilidade e tolerância a falhas do sistema.Um mínimo de equipamento descomplicado, materiais duráveis e confiáveis, elementos de desgaste (válvulas) raramente falham e são substituídos sem problemas;
- durabilidade. Testado pelo tempo - tais sistemas têm operado por meio século sem reparos ou mesmo manutenção;
- independência energética, por causa da qual, de fato, os sistemas de aquecimento gravitacional ainda são populares. Em áreas sem eletricidade ou onde ela é frequentemente interrompida, apenas o aquecimento por fogão pode ser uma alternativa ao aquecimento gravitacional;
- simplicidade do projeto do sistema, sua instalação e operação posterior.
Desvantagens de um sistema de aquecimento gravitacional:
- alta inércia térmica. Uma grande quantidade de refrigerante requer um tempo significativo para aquecê-la e encher todos os radiadores com água quente;
- aquecimento desigual. À medida que passa pelos canos, a água arrefece e a diferença de temperatura entre as baterias é significativa e, consequentemente, a temperatura dos quartos. Você pode compensar esta desvantagem instalando uma bomba de circulação com conexão paralela, se a casa tiver eletricidade, e usar a bomba conforme necessário;
- grande extensão de oleodutos. Quanto mais comprida for a tubulação, maior será a queda de pressão nela;
- Preço Alto. Diâmetros grandes de tubo resultam em altos custos de consumíveis do sistema. Embora os tubos de grande diâmetro também sejam uma fonte de calor;
- alta probabilidade de degelo do sistema. Algumas das tubulações passam por cômodos sem aquecimento: o sótão e o porão. Nas geadas, a água pode congelar, mas se o anticongelante for usado como refrigerante, essa desvantagem pode ser evitada.
Tubulação para aquecimento por gravidade
Muitos especialistas acreditam que a tubulação deve ser colocada com uma inclinação na direção do movimento do refrigerante. Não defendo que idealmente deva ser assim, mas na prática esse requisito nem sempre é atendido. Em algum lugar a viga atrapalha, em algum lugar os tetos são feitos em níveis diferentes. O que acontecerá se você instalar o duto de abastecimento com uma inclinação reversa?
Tenho certeza de que nada de terrível acontecerá. A pressão de circulação do refrigerante, se diminuir, então em uma quantidade bem pequena (alguns pascal). Isso acontecerá devido à influência parasitária que esfria no enchimento superior do refrigerante. Com este design, o ar do sistema terá que ser removido usando um coletor de fluxo de ar e um respiradouro. Esse dispositivo é mostrado na figura. Aqui, a válvula de drenagem é projetada para liberar ar no momento em que o sistema é preenchido com refrigerante. No modo de operação, esta válvula deve estar fechada. Esse sistema permanecerá totalmente funcional.
Parâmetros dinâmicos do refrigerante
Seguimos para a próxima etapa de cálculos - análise do consumo do refrigerante. Na maioria dos casos, o sistema de aquecimento de um apartamento difere de outros sistemas - isso se deve ao número de painéis de aquecimento e ao comprimento da tubulação. A pressão é usada como uma "força motriz" adicional para o fluxo vertical no sistema.
Em edifícios privados de um e vários andares, antigos edifícios de apartamentos de painel, sistemas de aquecimento de alta pressão são usados, o que torna possível transportar a substância de liberação de calor para todas as seções do sistema de aquecimento ramificado, multi-anel e elevar a água para toda a altura (até ao 14º andar) do edifício.
Pelo contrário, um apartamento comum de 2 ou 3 quartos com aquecimento autônomo não tem tanta variedade de anéis e ramificações do sistema; ele inclui, no máximo, três circuitos.
Isso significa que o transporte do refrigerante ocorre usando o processo natural de fluxo de água. Mas você também pode usar bombas de circulação, o aquecimento é fornecido por uma caldeira a gás / elétrica.
Recomendamos o uso de bomba de circulação para aquecimento de ambientes com mais de 100 m2.A bomba pode ser montada antes e depois da caldeira, mas geralmente é colocada no "retorno" - temperatura mais baixa do meio, menos aeração, vida útil da bomba
Especialistas na área de projeto e instalação de sistemas de aquecimento definem duas abordagens principais em termos de cálculo do volume do refrigerante:
- De acordo com a capacidade real do sistema. Todos, sem exceção, os volumes das cavidades por onde fluirá o fluxo de água quente são somados: a soma das seções individuais dos tubos, seções do radiador, etc. Mas esta é uma opção bastante demorada.
- Por energia da caldeira. Aqui as opiniões dos especialistas divergem muito, alguns dizem 10, outros 15 litros por unidade de potência da caldeira.
De um ponto de vista pragmático, você precisa levar em consideração o fato de que o sistema de aquecimento provavelmente não só fornecerá água quente para o quarto, mas também aquecerá água para o banheiro / chuveiro, pia, pia e secador, e talvez para um hidromassagem ou jacuzzi. Esta opção é mais simples.
Portanto, neste caso, recomendamos definir 13,5 litros por unidade de potência. Multiplicando este número pela potência da caldeira (8,08 kW), obtemos o volume calculado da massa de água - 109,08 litros.
A velocidade calculada do refrigerante no sistema é exatamente o parâmetro que permite selecionar um determinado diâmetro de tubo para o sistema de aquecimento.
É calculado usando a seguinte fórmula:
V = (0,86 * W * k) / t-a,
Onde:
- W - potência da caldeira;
- t é a temperatura da água fornecida;
- para - temperatura da água no circuito de retorno;
- k - eficiência da caldeira (0,95 para uma caldeira a gás).
Substituindo os dados calculados na fórmula, temos: (0,86 * 8080 * 0,95) / 80-60 = 6601,36 / 20 = 330kg / h. Assim, em uma hora, 330 litros de refrigerante (água) são movimentados no sistema, e a capacidade do sistema é de cerca de 110 litros.
O movimento do transportador de calor resfriado
Um dos equívocos é que, em um sistema com circulação natural, o refrigerante resfriado não pode se mover para cima. Também discordo deles. Para um sistema circulante, o conceito de para cima e para baixo é muito condicional. Na prática, se o oleoduto de retorno sobe em alguma seção, então em algum lugar ele cai para a mesma altura. Nesse caso, as forças gravitacionais estão equilibradas. A única dificuldade é superar a resistência local nas curvas e seções lineares do duto. Tudo isso, assim como o possível resfriamento do refrigerante nas seções de elevação, deve ser levado em consideração nos cálculos. Se o sistema for calculado corretamente, o diagrama mostrado na figura abaixo tem o direito de existir. A propósito, no início do século passado, tais esquemas eram amplamente utilizados, apesar de sua fraca estabilidade hidráulica.
Dois em um
Todos os problemas acima do circuito de gravidade podem ser resolvidos atualizando-o com uma inserção de bomba. Ao mesmo tempo, o sistema manterá a capacidade de funcionar com a circulação natural.
Ao fazer este trabalho, vale a pena seguir algumas regras simples.
- Uma válvula ou, o que é muito melhor, uma válvula de retenção esférica é colocada entre as conexões das saídas da bomba. Quando a bomba está funcionando, ela não permite que o impulsor conduza a água em um pequeno círculo.
- É necessário um reservatório na frente da bomba. Ele protegerá o rotor e os rolamentos da bomba contra incrustações e areia.
- A conexão da bomba é limitada por um par de válvulas que permitem limpar o filtro ou remover a bomba para reparo sem perder o líquido refrigerante.
Na foto, o bypass entre os insertos está equipado com uma válvula de retenção esférica.
Localização dos radiadores
Dizem que com a circulação natural do refrigerante, os radiadores, sem falta, devem estar localizados acima da caldeira. Esta afirmação é verdadeira apenas quando os dispositivos de aquecimento estão localizados em uma camada. Se o número de camadas for dois ou mais, os radiadores da camada inferior podem estar localizados abaixo da caldeira, o que deve ser verificado por cálculo hidráulico.
Em particular, para o exemplo mostrado na figura abaixo, com H = 7 m, h1 = 3 m, h2 = 8 m, a pressão circulante efetiva será:
g · = 9,9 · [7 · (977 - 965) - 3 · (973 - 965) - 6 · (977 - 973)] = 352,8 Pa.
Aqui:
ρ1 = 965 kg / m3 é a densidade da água a 90 ° C;
ρ2 = 977 kg / m3 é a densidade da água a 70 ° C;
ρ3 = 973 kg / m3 é a densidade da água a 80 ° C.
A pressão de circulação resultante é suficiente para o sistema reduzido funcionar.
Aquecimento por gravidade - substituindo água por anticongelante
Li em algum lugar que o aquecimento gravitacional, projetado para água, pode ser transferido sem dor para o anticongelante. Quero alertá-lo contra tais ações, pois sem o cálculo adequado, tal substituição pode levar a uma falha completa do sistema de aquecimento. O fato é que as soluções à base de glicol têm uma viscosidade significativamente maior do que a água. Além disso, a capacidade térmica específica desses líquidos é inferior à da água, o que exigirá, em igualdade de condições, um aumento na taxa de circulação do refrigerante. Essas circunstâncias aumentam significativamente a resistência hidráulica projetada do sistema preenchido com refrigerantes com baixo ponto de congelamento.
Implementação de sistema de aquecimento com circulação natural do portador de calor
Após a conclusão do cálculo da engenharia térmica do edifício, você pode prosseguir para a seleção dos dispositivos de aquecimento e sua seleção. No primeiro andar, num dos quartos, digamos que haja um piso aquecido no banheiro e no lavabo. O sistema ainda está planejado para ser gravitacional e não volátil, portanto, uma grande área de piso radiante não deve ser feita. Após o cálculo de engenharia térmica realizado, determinaremos o gráfico da temperatura do refrigerante, a partir do qual procederemos. Vamos escolher um cronograma padrão para sistemas de aquecimento de água 95 abastecimento e 70 - retorno, vamos corrigi-lo ligeiramente para uma certa margem no futuro e erros nas imprecisões de cálculos e medições, vamos trazê-lo para 80 a 60. A seguir, em instalações residenciais, instalaremos mentalmente radiadores, determinaremos os locais onde haverá radiadores e de que tipo, e imediatamente pensaremos no encaminhamento dos tubos de aquecimento, nos locais para onde irão os tubos. Os radiadores deverão ser instalados levando em consideração as necessidades de calor das instalações. Se houver um piso quente no banheiro, o radiador deve ser instalado levando em consideração o fato de que o piso quente funcionará para você conforme a necessidade, leve em consideração que o sistema deve ser não volátil. Ou seja, o radiador deve fornecer 70-80% do calor necessário na sala. Nos alojamentos, nos quartos, também é necessário levar em consideração a direção do vento predominante e os pontos cardeais por onde vão as paredes. O mesmo se aplica não só ao primeiro andar, mas também ao segundo. Muito depende da colocação correta dos dispositivos de aquecimento. Além disso, não se deve esquecer a instalação de dispositivos de aquecimento ou um dispositivo na porta da frente. Na cozinha, você pode reduzir a energia estimada dos dispositivos de aquecimento em 10-15%. Existem outras fontes de calor: fogão a gás ou elétrico, forno, máquina de fazer pão, geladeira, etc.
Cálculo da engenharia de calor e seleção de dispositivos de aquecimento, e seu cálculo é absolutamente o mesmo para um sistema com qualquer necessidade de circulação. A única coisa é que com um sistema gravitacional, também é necessário levar em consideração o resfriamento do refrigerante e ter em mente que no piso superior a temperatura do refrigerante é mais alta do que no inferior, de 5 a 12ºC , dependendo do tipo de risers, do seu comprimento e da altura do edifício.
Usando um tanque de expansão aberto
A prática mostra que é necessário encher constantemente o refrigerante em um tanque de expansão aberto, à medida que ele evapora. Concordo que isso é realmente um grande inconveniente, mas pode ser facilmente eliminado. Para isso, pode-se utilizar um tubo de ar e uma vedação hidráulica, instalada próximo ao ponto mais baixo do sistema, próximo à caldeira. Este tubo serve como um amortecedor de ar entre a vedação hidráulica e o nível do líquido refrigerante no tanque.Portanto, quanto maior seu diâmetro, menor será o nível de flutuações de nível no tanque de vedação de água. Artesãos particularmente avançados conseguem bombear nitrogênio ou gases inertes no tubo de ar, protegendo assim o sistema da penetração de ar.
Equipamento
Um sistema gravitacional é possível como um sistema fechado, sem comunicação com o ar atmosférico e aberto para a atmosfera. O tipo de sistema depende do conjunto de equipamentos que falta.
Abrir
Na verdade, o único elemento necessário é um tanque de expansão aberto.
Ele combina algumas funções:
- Retém o excesso de água quando superaquecido.
- Ele remove o vapor e o ar gerados durante a ebulição da água do circuito para a atmosfera.
- Ajuda a encher com água para compensar a evaporação e as fugas.
Nesses casos, quando em algumas áreas do enchimento os radiadores estão localizados acima dele, seus plugues superiores são equipados com respiros de ar. Este papel pode ser desempenhado tanto por torneiras Mayevsky quanto por torneiras de água simples.
Para reiniciar o sistema, na maioria dos casos é complementado com um ramal que leva ao esgoto ou facilmente fora de casa.
Fechadas
Em um sistema de gravidade fechado, as funções de um tanque aberto são distribuídas por um par de dispositivos livres.
- O tanque de expansão do diafragma do sistema de aquecimento oferece a possibilidade de expansão do refrigerante durante o aquecimento. Na maioria dos casos, seu valor é igual a 10% do volume total do sistema.
- A válvula de alívio de pressão alivia o excesso de pressão quando o tanque está cheio demais.
- Uma saída de ar manual (por exemplo, a mesma válvula Mayevsky) ou uma saída de ar involuntária é responsável pela saída de ar.
- O manômetro mostra a pressão.
É de fundamental importância: no sistema gravitacional, pelo menos uma saída de ar deve estar em seu ponto mais alto. Ao contrário do esquema de circulação forçada, aqui a câmara de descompressão simplesmente não permite que o refrigerante se mova.
Além do anterior, um sistema fechado na maioria dos casos é equipado com um jumper com sistema de água fria, que permite que seja enchido no final da descarga ou para compensar vazamentos de água.
Usando uma bomba de circulação no aquecimento por gravidade
Em conversa com um instalador, ouvi dizer que uma bomba instalada no by-pass do riser principal não pode criar efeito de circulação, uma vez que é proibida a instalação de válvulas de corte no riser principal entre a caldeira e o tanque de expansão. Portanto, você pode colocar a bomba no desvio da linha de retorno e instalar uma válvula de esfera entre as entradas da bomba. Esta solução não é muito conveniente, pois todas as vezes antes de ligar a bomba, deve-se lembrar de fechar a torneira e, após desligar a bomba, abri-la. Neste caso, a instalação de uma válvula de retenção é impossível devido à sua grande resistência hidráulica. Para sair dessa situação, os artesãos estão tentando refazer a válvula de retenção em uma normalmente aberta. Essas válvulas "modernizadas" criarão efeitos sonoros no sistema devido ao "silenciamento" constante com um período proporcional à velocidade do refrigerante. Posso sugerir outra solução. Uma válvula de retenção flutuante para sistemas de gravidade é instalada no riser principal entre as entradas de desvio. A boia da válvula em circulação natural é aberta e não interfere na movimentação do refrigerante. Quando a bomba é ligada no bypass, a válvula fecha o riser principal, direcionando todo o fluxo pelo bypass com a bomba.
Neste artigo, considerei longe de todos os equívocos que existem entre os especialistas que instalam aquecimento gravitacional. Se você gostou do artigo, estou pronto para continuar com respostas às suas perguntas.
No próximo artigo falarei sobre materiais de construção.
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Tipos de aquecimento por gravidade de esquemas somáticos de aquecimento
Os esquemas de aquecimento por circulação natural são de dois tipos: um tubo e dois tubos. As casas mais antigas tinham apenas um tubo em seu sistema de aquecimento.Mas, atualmente, um sistema de aquecimento de dois tubos com diluição inferior ou superior é o mais usado. Quais são as principais diferenças entre os esquemas? O aquecimento por gravidade com um tubo é considerado o mais simples. O oleoduto é colocado sob o teto das instalações, e o circuito de retorno é colocado sob o piso. Do lado positivo, nota-se um pequeno número de componentes necessários ao funcionamento do sistema. Ele também possui uma instalação simples. Como vantagem, podemos notar a possibilidade do seu funcionamento aquando da instalação da caldeira e dos radiadores ao mesmo nível. Normalmente, em uma casa de dois andares, esse esquema raramente é usado, porque não permite que a casa aqueça por igual. No entanto, isso pode ser corrigido instalando tubos volumétricos e radiadores no piso térreo. Na instalação de um circuito monotubo, não são fornecidas válvulas de controle, o que significa que não será possível regular a temperatura.
Um sistema de aquecimento de dois tubos é mais complicado tanto em operação quanto no dispositivo, porque envolve vários circuitos de aquecimento. Um deles é destinado ao escoamento do refrigerante quente, o outro ao frio. Nesse caso, você precisará de muito mais componentes. O sistema de aquecimento sem saída de uma casa de dois andares exigirá necessariamente o isolamento do riser principal para evitar a perda de calor. Para um sistema de dois tubos, é necessário utilizar tubos de grande diâmetro, no mínimo 32 mm, caso contrário a resistência hidráulica impedirá a circulação por gravidade.
