Циркулационни помпи за отопление и гореща вода

Циркулационните помпи са вид помпи, предназначени да осигурят циркулация на течности в затворени тръбопроводни системи. Най-типичното им приложение е в системите за отопление и битово горещо водоснабдяване (БГВ). Създаваният от помпите напор се изразходва само за преодоляване на хидравличните съпротивления при протичането през тръбопровода и затова напорите на циркулационните помпи не са високи – максимално до около 10 m. Производителността на най-често използваните помпи е до 50 m3/h. Консумираната мощност, в зависимост от вида на помпата, се изменя в широки граници – от 50 W до 3 kW. Максималната температура на топлоносителя достига до 110 oC, а максималното налягане в системата е до 10 bar. За много големи обекти и индустриални циркулационни системи се произвеждат серийно помпи с дебити до и над 100 m3/h и напори до 50 m. Циркулационните помпи са най-често центробежни, задвижвани от електродвигател. Експлоатационният им срок е 10 -15 г.

Изт. сп.’Инженеринг ревю“

Помпи в системите за водно отопление
Системите за отопление се разделят на два типа – с естествена и принудителна циркулация на топлоносителя. При системите с естествена циркулация движението на течността е за сметка на гравитационните сили, породени от разликата в температурите, а от там и плътностите на топлоносителя в подаващата и отвеждащата тръба. Този способ има редица съществени недостатъци. За да се осигури необходимият циркулационен напор, се налага подгряване на водата почти до температурата на кипене, което води до значителен разход на енергия, прегряване на тръбите и съкращаване на експлоатационния им срок. За ограничаване на хидравличните загуби се налага използването на тръби с големи диаметри. Подобни системи практически не подлежат на регулиране, което влияе отрицателно на комфорта на крайния потребител.

Гореспоменатите недостатъци се избягват напълно в системите с принудителна циркулация, които на практика напълно са изместили по-стария тип. Монтирането на циркулационна помпа позволява да се премине към тръбопроводи с по-малък диаметър и реализира икономии на енергия, което увеличава к. п. д. на отоплителната система. Ако преди подаващата тръба, по която протича топла вода към радиаторите, не можеше да бъде на по-ниско ниво от отвеждащата, която връща охладената вода от радиаторите към котела или топлообменника, то сега това ограничение не съществува. Това дава възможност да се прилага и водно подово отопление, което за решение, осигуряващо висок комфорт и икономия на енергия, а при конвенционалните схеми на отопление тръбната разводка е значително по-компактна. Освен това отпада необходимостта източникът на топлинна енергия да е в най-ниската точка. Температурата на водата във всички точки на отоплителната система практически може да е еднаква, т. е. при правилно проектиране и изпълнение, температурата и на най-отдалечения радиатор ще е същата, като и на най-близко разположения до топлообменника или котела. Съвременните циркулационни помпи дават богати възможности за автоматизация и регулиране на отдаваната топлина във всяко помещение, което е решаващо за топлинния комфорт и енергоспестяването. Използването на принудителна циркулация позволява да се избегне нискотемпературната корозия в котела, възникваща при голяма разлика в температурите на подаващата и връщащата магистрали. Без принудителна циркулация не могат да се осъществят многокръговите отоплителни системи, както и нискотемпературните отоплителни системи, където температурата на топлоносителя е 40 – 50 оС. Последното се обуславя от навлизането в практиката на източници на топлина, които работят в нискотемпературен режим – кондензни газови котли, термопомпи въздух-вода, вода-вода и земя-вода. И не на последно място, циркулационната система е под налягане, което намалява възможностите за образуване на въздушни възглавници и улеснява обезвъздушаването.

Помпи в системите за БГВ
Циркулационните помпи, включени в системите за БГВ, известни още като помпи за рециркулация на БГВ, осигуряват едно непрекъснато движение на водата през тръбопроводите и така се избягва застой и изстиване на водата дори при липса на консумация. Това води до повишаване на комфорта (намалява се времето за изчакване) и значителни икономии на вода и енергия за подгряване. Също така се предотвратява възможността за развитие на бактерии в застоялата топла вода в тръбопровода. Особено ефективни са помпите с вграден таймер, термостат или и двете. Чрез таймера може да се зададе програма за управление, така че помпата да работи, когато е необходимо – например сутрин и вечер. Ако се използва термостат, помпата ще работи, само когато температурата на водата в рециркулиращата магистрала спадне под зададена стойност, например 40 оС.

Конструктивни особености на циркулационните помпи
Повечето циркулационни помпи си приличат външно и са сходни като конструкция. Разликите при различните производители са основно в качеството на изработка и сглобяване, вида на използваните детайли и материали. Като правило, циркулационните помпи са от центробежен тип. В корпус, изработен от чугун, алуминий, бронз или неръждаема стомана, се върти ротор със закрепено към него работно колело. В резултат от действието на центробежните сили се увеличава енергията на течността и тя се увлича в движение от входящия към изходящия отвори, разположени в корпуса. Диаметрите на тези отвори са съобразени със стандартите за водопроводни тръби, така че не се изискват допълнителни преходни елементи при монтаж. Работното колело е от неръждаема стомана, технически полимери, керамика и други синтетични материали. Последните варианти са по-практични от гледна точка на корозията. Смукателните и нагнетателните отвори са с еднакъв диаметър и най-често разположени на една линия. За намаляване на топлинните загуби, при поръчка помпата може да се екипира с външен топлоизолационен кожух. В момента се предлагат два типа циркулационни помпи – със „сух“ и „мокър“ ротор.

В помпите с мокър ротор всички въртящи се части, включително и роторът, са в контакт с циркулиращата течност. Частта от двигателя, която е под напрежение (статора с намотките) е отделена херметично чрез гилза от неръждаема стомана. Благодарение на това, както и на липсата на вентилатор, помпата работи практически безшумно и дори е трудно да се установи на слух дали тя е включена. Конструкцията е много компактна и помпата се монтира директно върху тръбопровода, без допълнително закрепване. Валът обикновено е от неръждаема стомана или керамичен, а лагерите са от графит или керамика. За отопление се използват помпи с корпус от чугун. Смазването на лагерите се осъществява от топлоносителя, които същевременно и охлажда двигателя. За изпълнение на горните две функции трябва да се осигурят условия за непрекъсната циркулация на течността през разделителната гилза. От тук произтича основното изискване при монтаж на помпи с мокър ротор – валът винаги да е в хоризонтално положение. Корпусът на двигателя може да се завърта спрямо корпуса на помпата. За целта е нужно само да се развият закрепващите болтове, да се завърти двигателят в необходимото положение и пак да се завият болтовете. При помпите с мокър ротор е недопустима дори и кратковременна работа на сухо. За целта особено важно е доброто обезвъздушаване на системата. В някои конструкции са предвидени устройства за ръчно или автоматично отделяне на въздуха. Помпите от разглеждания тип практически не се нуждаят от обслужване. Ремонтът, монтажът и замяната са улеснени. Не на последно място цената им не е висока. Основен недостатък е ниският к. п. д. – обикновено достига най-много до 50%. Целесъобразна е употребата на помпи с мокър ротор за по-малки отоплителни системи и в системите за БГВ.

При помпите със сух ротор, както показва самото наименование, роторът на двигателя не е в контакт с течността. При тези помпи к. п. д. е значително по-голям и може да достигне до 80%, затова те се използват в отоплителни системи, където циркулират големи обеми. Конструкцията им е сходна с тази на помпите с общо предназначение. В зависимост от конструкцията се различават три типа помпи със сух ротор. При конзолните помпи двигателят и помпата са отделни и независими конструктивно елементи, разположени върху специален фундамент. Валовете им са свързани с подходящ съединител. Подобни агрегати са сложни за монтаж и обслужване, затова приложението им е ограничено до най-големите индустриални отоплителни системи. В моноблочните помпи, помпата и двигателят отново са отделни елементи, но са обединени в общ блок, като работното колело е монтирано на удължения вал на двигателя. Това съществено облекчава монтажа и обслужването. Въпреки това и в този случай е необходимо специално закрепване, например към фундамент. Най-практични са т. нар. inline-помпи. Подобни са на моноблочните, но входът и изходът са на една линия (оттук идва английският термин, няма общоприет съответен на български език).

Критичното място на всички помпи със сух ротор
(не само за циркулационните) е уплътнението между вала и корпуса на помпата, който е под високото налягане на течността. Качествата на това уплътнение определят в най-голяма степен сигурността и надеждността на помпения агрегат.

Дълги години доминиращият вид уплътнение при помпите бе добре познатото салниково уплътнение (салникова набивка). Както е известно, то не може да осигури пълна херметичност, нуждае се от подвеждане на вода за смазване и охлаждане, а също така и от редовно обслужване. Това е причината водещите производители да оборудват с такъв тип уплътнения само най-големите конзолни помпи, които се монтират на фундамент. Експлоатационният срок на салниковата набивка е 1 – 2 години, в зависимост от условията на експлоатация.

В момента най-широко приложение намират челните уплътнения, известни още като механични уплътнения или челни механични уплътнения. Основните елементи са два пръстена, притиснати един към друг с пружина. В зависимост от вида на топлоносителя и неговата температура, материалите за челното уплътнение са графит, керамика, неръждаема стомана, волфрамов карбид, алуминиев окис и др. Този тип уплътнение осигурява висока степен на херметичност и не изисква обслужване в течение на експлоатационния срок, който е 2 – 4 години.

За помпите със сух ротор също не се препоръчва работа “на сухо”. В случая няма опасност от прегряване на двигателя, но се влошава херметичността поради ускореното износване на уплътнението. Все пак подмяната на челното уплътнение не е сложна операция. Производителите на челни уплътнения са разработили и конструкции, които могат да заменят съществуващо салниково уплътнение, без да е необходима допълнителна механична обработка на корпуса на помпата. Това е една от насоките за усъвършенстване и увеличаване на надеждността и експлоатационния срок на по-стари модели помпи.

Важно е да се отбележи, че при помпите с мокър ротор съществува строго разделяне на помпи за отопление и помпи за БГВ. Макар и по-рядко се произвеждат помпи, подходящи и за двете цели. Основната разлика е в използваните материали за проточната част, които трябва да са подходящи за БГВ. Такива са месинг, бронз, неръждаема стомана, чугун със специално покритие. Необходимостта от използването на такива материали произтича от факта, че помпите за БГВ работят с вода, съдържаща значително количество соли, докато в отоплителните системи по принцип се използва обезсолена (котлова) вода. Трябва да се отбележи, че правилно проектираната система за отопление и БГВ трябва да съдържа циркулационни помпи от различни видове – както помпи за отопление, така и помпи за гореща вода.

Нестандартни конструкции циркулационни помпи
Съществуват конструкции циркулационни помпи и с доста нетрадиционна форма. Например роторът е полусфера с постоянни магнити, върху която са оформени работните лопатки и е лагеруван плаващо върху керамична сфера. Триенето, а от там и износването, практически е изключено и това удължава експлоатационния срок, като през цялото време работата остава безшумна. Както е известно, износването на лагерите е основна причина за повишаване на шума към края на експлоатационния срок. Освен това, конструкцията облекчава промиването и почистването на помпата и няма опасност от блокиране на ротора.

Сдвоените помпи са една много ефективна и надеждна при експлоатация конструктивна разновидност на циркулационните. Представляват два еднакви помпени агрегата, обединени в общ корпус и разделени посредством превключващи клапани. Еднаквите присъединителни размери позволяват безпроблемната замяна на единична помпа със същата мощност. Сдвоените помпи могат да реализират два режима на работа. При режим работна/резервна едната от двете работи непрекъснато, а другата е в готовност за включване при авария или включване по време от таймер. В режим на паралелна работа работят и двете, като при частични натоварвания едната може да се изключи. Периодично, обикновено на 24 часа, управляващият блок разменя ролите на двете помпи за осигуряване на еднакъв експлоатационен срок. Основните предимства на тази схема са няколко: реализира се значителна икономия на енергия и се намаляват с около 50% експлоатационните разходи, защото втората помпа се включва само при върхови натоварвания; повишава се надеждността благодарение на наличието на втора помпа, която може да се включи по всяко време.

По отношение на мястото, където се поставя циркулационната помпа, може да се отбележи, че в отоплителните системи тя се монтира в точката с най-ниска температура, т. е. на връщащия тръбопровод, близо до източника на топлина. В инсталациите за БГВ температурата се изменя слабо и местоположението не е критично.