Назначение и область применения
Безотказность, эффективность и устойчивость работы при длительном сроке эксплуатации системы автономного водяного отопления индивидуального жилого дома или любого другого не подключенного к централизованной коммунальной сети строения зависит, прежде всего, от грамотного выбора и расчета схемы разводки, а также насколько качественно выполнен монтаж и регулировка параметров в процессе запуска. Конечно, многое зависит и от того, какое оборудование и приборы выбраны для устройства этой системы и насколько гармонично они взаимодействуют между собой. Следует отметить, что в системе отопления нет каких-то второстепенных деталей, узлов или приборов – каждый элемент в общей работе системы выполняет свое важное предназначение, в том числе расширительный бак.
В системах отопления теплоноситель (вода или иная специально предназначенная для этого жидкость) при нагревании расширяется. При этом жидкость, как физическое вещество, не может быть подвергнута сжатию. Если оставить теплоноситель в замкнутом объеме трубопроводной системы, то расширяться ему будет некуда. По законам термодинамики в таких условиях в системе отопления начинает подниматься давление, а это уже серьезно. Когда неконтролируемый рост давления в замкнутом контуре системы превысит допустимый предел, то разрушительных последствий не избежать. Хорошо, если все ограничится протеканием в узлах соединений радиаторов или труб. Следовательно, любое увеличение объема теплоносителя должно быть компенсировано при помощи какой-либо расширительной емкости, в которую при нагревании будет выдавливаться «лишняя» жидкость.
Таким образом, неотъемлемой частью систем отопления являются расширительные баки, основное предназначение которых компенсация объемных изменений теплоносителя, происходящих вследствие его нагрева или охлаждения, что способствует обеспечению постоянного давления в замкнутой системе. При этом основная область применения расширительных баков – это автономные системы отопления. Однако при соответствии технических характеристик закрытых герметичных емкостей требуемым параметрам систем водоснабжения, кондиционирования и холодильных установок, расширительные баки серии можно также устанавливать и в этих инженерных системах.
Отопительные системы помимо того, что бывают с однотрубной и двухтрубной разводкой, устраиваются также открытого или закрытого типа. При этом термин «система открытого типа» или «система закрытого типа» означает то, какого типа в этой отопительной системе установлен расширительный бак. Если в открытой системе отопления установлена открытая расширительная емкость, то в системе закрытого типа – герметичный расширительный бак.
В системе отопления открытого типа циркуляция теплоносителя происходит естественно за счет процесса гравитации жидкости. Нагретый теплоноситель легче, поэтому от отопительного котла поднимается вверх по стояку, а остывший холодный тяжелее – стремится к нему. Таким образом, происходит гравитационный цикл циркуляции теплоносителя. Однако при эксплуатации таких систем отопления возникает масса проблем. Прежде всего, трубопроводы в системе с гравитационной циркуляцией должны монтироваться под определенным углом, причем диаметр труб в подающей и обратной линии разный. Кроме того в открытых системах отопления нельзя применять насосы для циркуляции теплоносителя, что ведет к неэкономному расходованию энергоресурсов – топлива для котлоагрегата на обогрев помещений здания. Применение насоса для циркуляции жидкости в открытой системе отопления не предусмотрено, поскольку при работе насоса теплоноситель будет выплескиваться из негерметичной емкости. Помимо этого открытую расширительную емкость нужно устанавливать в самой высокой точке системы, а нагретая жидкость из открытой емкости интенсивно испаряется, что ведет к потере тепла. Кроме того это приводит к образованию сырости в месте установки емкости со всеми вытекающими из этого последствиями, а испарившуюся жидкость следует постоянно дополнять. Теплоноситель в открытой емкости постоянно насыщается кислородом из окружающей среды, а воздух по какой-либо причине, например, при несвоевременной доливке испарившейся жидкости, может попасть в систему. В итоге происходит убыстрение коррозии металлических трубопроводов и котла, что ведет к нарушению работы системы отопления.
В современных системах закрытого типа отопления эти проблемы помогает устранить использование герметичных расширительных емкостей закрытого типа. Расширительные баки закрытого типа применяются как в замкнутых системах отопления, так и в системах кондиционирования, а также в холодильных установках. Кроме того расширительные емкости закрытого типа (гидроаккумуляторы) применяются в целях поддержания давления воды в системе и для предотвращения гидродинамических ударов в момент включения насосов, питающих систему водой.
Принцип работы
Объем жидкости напрямую зависит от ее температуры. Так при нагреве объем жидкости увеличивается, а при охлаждении наоборот – уменьшается. Для компенсации этих колебаний объема жидкости-теплоносителя в системах водяного отопления, а также горячего водоснабжения и кондиционирования, предназначается расширительный бак. Избыточный объем горячего теплоносителя как бы поступает «на хранение» в расширительную емкость, а при уменьшении нагрева в системе жидкость возвращается в контур отопления. На этом явлении и основан принцип работы расширительной мембранной емкости закрытого типа.
В воздушной камере бака находится предварительно закаченный на заводе воздух, который изначально давит на диафрагму изнутри (рис.2.а). При этом Pi – это начальное установленное давление бака, а Vi – начальный объем воздуха. Для регулирования давления воздуха в корпусе расширительной емкости, со стороны воздушной камеры, располагается пневмоклапан. Поступление и выход из расширительного бака воды осуществляется через резьбовой присоединительный патрубок.
При нагреве теплоносителя расширяющаяся в объеме вода под действием давления в системе отопления попадает в водяную камеру (рис.2.б). Максимально допустимое давление в системе равно конечному давлению расширительной емкости – Pf, при этом воздух в воздушной камере принимает конечный объем – Vf. Количество теплоносителя, поступившего в водяную камеру при максимально допустимом давлении в системе, занимает полезный объем – Vu, на который рассчитана расширительная емкость. Полезный объем (Vu) расширительного мембранного бака должен быть не менее величины объема, на который вода (теплоноситель) увеличивается в системе отопления при максимально возможной температуре нагрева. В противном случае вследствие температурного расширения воды или иного теплоносителя в системе произойдет чрезмерное неконтролируемое увеличение давления, что может стать причиной поломки расширительного бака в частности и выхода из строя системы в целом.
По мере охлаждения теплоносителя уменьшающаяся в объеме вода выдавливается обратно в систему отопления под действием давления воздуха в воздушной камере (рис.2.в). Процесс выдавливания заканчивается при каком-то промежуточном значении давления воздуха – Р, который занимает в воздушной камере соответствующий давлению объем – V.
Такой принцип работы расширительной мембранной емкости закрытого типа позволяет системе отопления быть постоянно наполненной, поддерживает в ней стабильное давление и способствует снижению энергопотребления. Кроме того расширительная емкость позволяет также компенсировать и гидравлические удары в системе.
Выбор конкретного расширительного мембранного бака для данной системы отопления зависит от количества (объема) в ней жидкости-теплоносителя (С), начального установочного давления (Рi) и конечного давления (Рf) расширительной емкости. При этом конечное давление (Рf) расширительной емкости в принципе равно максимально допустимому давлению (Pmax) системы, на который настроен предохранительный клапан. Следует иметь в виду, что значения давлений для расчета объема расширительной емкости берется в абсолютной величине, то есть на одну единицу больше. При этом начальное абсолютное давление емкости (Рi+1) не должно быть меньше гидростатического давления в месте присоединения бака к системе. Максимальное абсолютное конечное давление (Рf+1) должно учитывать разницу в уровнях между емкостью и предохранительным клапаном. При расчете расширительной емкости немалое значение имеет также коэффициент расширения воды (е), соответствующий разнице между температурой воды холодной системы (отопление выключено) и максимальной температурой рабочей системы. В стандартных системах коэффициент расширения воды равен 0,04318 (Tmax = 99°С – Tмin = 10°С). Общий объем воды в системе (С), включает в себя объем всего оборудования системы: котла, приборов отопления, контуров теплого пола, трубопроводов и т.д. В среднем общий объем воды в системе имеет значение между 10 и 20 литрами на 1000 Ккал/час выходной мощности котла.
Формула подбора объема емкости имеет следующий вид:
где:
- е – коэффициент расширения (е = 0,04318);
- С – общий объем воды (теплоносителя) в системе;
- Рi – начальное установочное давление расширительной емкости;
- Рf – конечное давление расширительной емкости.
Так, например, необходимо подобрать расширительный мембранный бак для системы отопления, в которой общий объем воды (теплоносителя) равен 280 литров. При этом начальное установочное давление (Рi) расширительного бака должно быть 1,0 атм, а максимальное давление (Рf) в системе 4 атм. Значения давлений в абсолютной величине равно соответственно 2 бар и 5 бар. В результате расчетов находим V = (0,04318×280)(1 – 2:5) = 20,2 л. Выбираем ближайший к расчетному значению расширительный мембранный бак, например ZILMET, модель CAL-PRO 24, емкостью 24 литра.
Следует иметь в виду, что данный расчет ориентировочный и действителен только при условии, что расширительная мембранная емкость CAL-PRO находится на одном уровне с предохранительным клапаном. Окончательный и точный расчет объема необходимого расширительного бака в обязательном порядке должен быть рассчитан работником специализированной организации с учетом реальных характеристик системы отопления и используемого типа теплоносителя, например: смеси воды и гликоля. Выбор конкретного расширительного бака должен быть сделан также в соответствии с тем, что максимальное рабочее давление емкости должно быть, по крайней мере, равным максимальному давлению системы отопления, которое устанавливается предохранительным клапаном.
Монтажное положение расширительного бака в пространстве может быть любым, однако наиболее предпочтительное – патрубком входа снизу. Такое положение позволяет наиболее эффективно бороться с возникновением пузырьков газа в теплоносителе. При этом самым классическим местом расположения расширительного бака является положение на трубе обратной линии от отопительных приборов-радиаторов. Однако чтобы возможные завихрения потока не мешали корректной работе расширительного бака, его устанавливают до циркуляционного насоса. Между трубой и баком необходимо предусмотреть установку шарового крана. Этот запорный кран в случае необходимости позволит провести ремонт, в том числе демонтаж емкости, не прибегая к сливу жидкости-теплоносителя из системы отопления. Для удобства монтажных работ по установке расширительного бака желательно предусмотреть разъемное соединение с накидной гайкой типа «американка». В этом случае работы по монтажу и снятию расширительной емкости не будут представлять никакой сложности.
