Текст книги "Гидроакумуляторы и расширительные баки"

С. Беликов
Гидроаккумуляторы и расширительные баки

1. Введение

Как правило, качество жизни человека характеризует степень развития общества. А развитие инженерных систем жилища человека непосредственно влияет на качество и уровень его жизни.

Развитие инженерных сетей и систем в мире и России проходило практически непрерывно. Движение нагретой воды по трубам интересовали еще Сенеку при описании нагревания римских терм. В 1837 году появился трактат о водяном отоплении Чарльза Худа, а в 1839-м в работе Робертсона были перечислены все элементы системы отопления.

В 50–60-х годах XIX века в России также получили распространение системы водяного отопления. А в 70-х годах, по мере роста популярности систем отопления низкого давления, в нашу жизнь прочно вошел расширительный бак, как неотъемлемый элемент этой системы.

Гидроаккумуляторы в нашей стране появились и получили широкое распространение в последние 20 лет по мере развития индивидуального водоснабжения и водоочистки. В то же время в остальном мире технология производства, расчета, монтажа и эксплуатации мембранных баков известна и развивается десятилетиями. И мы лишь переносим на российскую землю то, что уже давно используется.

Крупнейшими производителями мембранных баков до последнего времени были итальянские заводы Cimm, Zilmet, Varem, Elbi, Aquasystem, Aquapress. Причем, большинство из них расположено неподалеку от города Падуя. В мире реальную конкуренцию этим заводам составляет фирма Reflex (Германия), производящая баки премиум-класса на заводе в Германии. В других странах можно найти одного – двух производителей Flamco, Gitral, Nema,Global Water и т. д.

В последние годы центр производств начал смещаться в Китай. Объем импорта баков из Китая в 2009 году составил не менее 630 тысяч штук и продолжает увеличиваться. Одновременно многие заводы (Польша, Чехия, Турция) были куплены фирмой Reflex, что говорит о глобализации и в этом сегменте рынка.

Российские покупатели, приобретавшие в последние годы исключительно импортные баки, сегодня получают изделия, произведенные в России. Это, прежде всего, Wester (группа «Импульс»), «Джилекс», Varem-rus, произведенные на современном оборудовании и по лучшим мировым технологиям. Они полностью могут заменить и заменяют зарубежные аналоги. Все три завода расположены в европейской части страны (Владимирская и Орловская области, город Климовск).

Книга интересна, прежде всего, инженерам и проектировщикам, монтажникам, работа которых связана с созданием систем отопления и водоснабжения. Много нового найдут в ней также другие интересующиеся данным вопросом.

В книге помещены методики подбора расширительных баков и гидроаккумуляторов, даны адреса основных производителей оборудования.

Также приложением даются рекомендации по установке расширительного бака в системах отопления и ГВС (материалы предоставлены инженером компании «Веста-Трейдинг» Е. Поляковым).

Автор с благодарностью воспримет советы и замечания читателей по улучшению материала книги – [email protected].

2. Основные понятия и определения

2.1. Назначение устройств

По своему назначению принципиально все баки можно разделить на две большие подгруппы: баки для компенсации температурных расширений теплоносителя и баки для работы с хозяйственной и питьевой (холодной) водой, находящейся под рабочим давлением от 3 до 10 бар.

Расширительные баки (экспанзоматы) (от англ. «expand» – расширять) служат для компенсации избыточного расширения рабочей жидкости (теплоносителя) в системах отопления, горячего водоснабжения или солнечной системы нагрева воды.

Вследствие нагревания теплоносителя в системе при изменении его температуры увеличивается объем жидкости. В случае применения в качестве теплоносителя воды нагрев на 1 °С увеличивает объем на 0,029 %. При применении этиленгликолевых теплоносителей нагрев на 1 °С увеличивает объем на 0,04–0,048 %.

Например: при нагреве теплоносителя (воды) от комнатной температуры 20 °С до рабочей 80 °С, т. е. на 60 °С, объем теплоносителя увеличивается на 0,029 · 60 °С = 1,74 %, т. е., если в системе 500 л теплоносителя, то объем увеличивается на 8,7 л.

Иными словами, увеличение объема теплоносителя неизбежно вызовет рост давления в системе – следует либо компенсировать выросший объем, либо предусмотреть сбросное предохранительное устройство (сброс давления) для удаления излишков жидкости во избежании аварии в системе. В современных системах отопления по этой причине и устанавливаются расширительные баки.

Гидравлические аккумуляторы давления служат для компенсации гидроударов и поддержания в системе автономного водоснабжения стабильного значения давления хозяйственной воды. Они могут применяться на садовых участках, в индивидуальных домах (реже – в системах с центральным водоснабжением). Главная цель применения гидроаккумуляторов – это стабильность характеристик водопотребления и защита электрической части насосов от повышенных значений пусковых токов, изнашивающих обмотку и потребляющих избыточную электроэнергию при частых пусках насосов.

Также гидроаккумуляторы применяются для защиты бытовой техники и бытовых сетей от гидроударов, особенно при централизированном водоснабжении.

Практически не используются гидроаккумуляторы для создания сколько-нибудь значительных запасов воды ввиду их громоздкости. Известно, что при срабатывании гидравлического аккумулятора в систему выбрасывается воды из бака не более 30 % от объема. Исключение составляют, пожалуй, бытовые системы очистки воды в которых гидроаккумулятор и служит для запаса очищенной воды.

Широкое применение нашли гидроаккумуляторные станции в системах водоснабжения многоэтажных домов при разделении контуров по высоте.

Ниже на рис. 1 приведена принципиальная схема (взята из материалов фирмы Varem) жилого частного дома с установкой гидроаккумуляторов и расширительных баков.

Рис. 1. Основные инженерные системы дома, в которых используются расширительные баки и гидравлические аккумуляторы

2.2. Конструкция и классификация баков

Конструктивные особенности применяемых баков позволяют выделить одну общую часть – внутри и расширительных баков, и гидроаккумуляторов находится резиновая мембрана. Однако вследствие технических, технологических, санитарно-гигиенических, экономических требований как конструкция баков, так и материал мембраны отличаются друг от друга.

Рассматривая схематичную конструкцию бака (рис. 2, 3), можно классифицировать все баки по целому ряду признаков.

Первичная классификация баков – по их назначению. В зависимости от применения существуют сосуды для: отопления, холодного водоснабжения, горячего водоснабжения, обратноосмотических систем водоочистки, солнечных систем нагрева воды. Каждый из видов использования накладывает на конструкцию баков свои особенности.

Рис. 2. Расширительный бак для систем отопления. 1. Корпус бака. 2. Сменная мембрана. 3. Штуцер для подсоединения. 4. Фланец. 5. Контрфланец. 6. Ниппель. 7. Крышка ниппеля. 8. Опоры. 9. Рассекатель струи.

Рис. 3. Бак-гидроаккумулятор для систем водоснабжения. 1. Корпус бака. 2. Сменная мембрана. 3. Штуцер для присоединения. 4. Фланец. 5. Контрфланец. 6. Ниппель. 7. Крышка ниппеля. 8. Стойки. 9. Рассекатель струи. 10. Держатель мембраны.

Баки также можно разделить на баки со сменной мембраной и баки с несменяемой мембраной, как правило, лепестковой (рис. 4).

Рис. 4. Бак для систем отопления с несменяемой мембраной

Классификация по конструктивному исполнению включает в себя: горизонтальные и вертикальные баки; с ножками для установки (как правило, баки более 35 литров) и без ножек; с площадками для крепления насосных станций и без них.

И, наконец, баки различаются по форме и внешнему виду. Существуют сферические, цилиндрические, плоские круглые и плоские прямоугольные. Последние применяются для установки внутри котлов (настенных и напольных) и некоторых типов бойлеров.

Принципиальное различие между баками – в характере работы: баки, компенсирующие термические расширения, и баки, поддерживающие стабильное давление в сетях водопотребления.

В системе отопления (ГВС и солнечные системы нагрева жидкости) по мере нагревания теплоносителя (иногда до 100–110°), происходит медленное расширение (а при остывании – медленное сужение). Мембрана вначале растягивается за счет пластических свойств резины, а при охлаждении сжимается (также за счет противодавления в корпусе бака) и медленно возвращает теплоноситель в систему.

В системе холодного водоснабжения, где температура воды редко выше 20–25 °С, мембрана работает кратковременно, резко и динамично и при подъеме давления в системе, и при опорожнении бака. Причем известно, что бак-гидроаккумулятор способен вернуть в систему не более 30 % своего объема, т. е. бак 100 л «впрыснет» в систему только 25–30 литров.

2.3. Комплектация баков

Как было рассмотрено выше, независимо от сферы применения баков, все они состоят из одинаковых составных элементов: корпус, мембрана, ниппель, крышка ниппеля. В баках со сменной мембраной добавляются фланец и контрфланец.

2.3.1. Корпус

Все мембранные баки, производимые для мировых рынков, выпускаются в соответствии с международным стандартом DIN EN 13881 для бытовых баков и DIN 1988 – для промышленных.

Стандарт допускает изготовление корпусов как из двух половин, изготовленных из особо пластичной углеродистой стали, так и из сварной обечайки с приваренными к ней донышками. Как правило, последним способом изготавливаются емкости более 500 литров.

Также встречаются корпуса из легированной стали в баках питьевого водоснабжения, но ввиду их дороговизны большого распространения не имеют.

Некоторые производители (Reflex) эмалируют внутреннюю поверхность баков для питьевого водоснабжения для исключения контактов питьевой воды со стальным корпусом.

Многие производители осмотических фильтров из Тайваня и Китая изготавливают полипропиленовые корпуса из двух половинок (8, 12, 18, 24, 35 литров), сваренных между собой трением (рис. 5).

Рис. 5. Полипропиленый бак для систем обратного осмоса

2.3.2. Мембраны

Важнейший элемент любого бака – мембрана.

Говоря о качестве бака, как правило, имеют в виду качество и надежность именно мембраны.

Естественно, различные конструкции баков предопределяют форму мембран (цилиндрическая, сферическая, диафрагменная (лепестковая).

При выборе производителя бака следует обратить внимание на:

• материал мембраны;

• рабочие характеристики (температура, количество циклов работы);

• наличие санитарно-гигиенического заключения.

Несмотря на то, что в Европе существует единый стандарт на мембраны DIN 480T3, многие производители умудряются делать «облегченные» мембраны, уменьшая толщину стенки. Либо добавляют в материал костную муку (Китай), сажу и другие удешевляющие компоненты. Все это приводит к преждевременному выходу из строя мембраны и вредит репутации производителей баков. По мнению автора, мембраны наилучшего качества выпускаются компанией Oldratti (Италия).

Разнообразны материалы, из которых изготавливаются мембраны.

EPDM (Ethylene-Propylene-Diene-Monomer) – этилен – пропилен-диен-мономер (тройной полимер, состоящий из трех отдельных мономеров). Гибкая резиновая основа создается при добавлении в смесь малого количества диена. EPDM бывает усиленным и неусиленным, а также в вулканизированном и невулканизированном состоянии.

Данный материал эластичен, хорошо выдерживает температура до 95 °С, может применяться для санитарной воды. Главное его преимущество – долговечность. Мембраны из него выдерживают 100 тыс. циклов динамического нагружения. Цвет – черный (рис. 6).

Рис. 6. Мембрана EPDM

BUTYL – синтетическая бутиловая резина, менее эластичная, чем резина из EPDM, но обладает меньшей водопроницаемостью при высоких температурах. Применима для работы до 110 °С. Выдерживает до 60 тыс. циклов динамического нагружения. Цвет – черный.

Резина из натурального каучука – натуральная резина для питьевой и непитьевой воды. Диапазон рабочих температур – до 40 °С. Наиболее эластичная резина, но обладает наименьшей стойкостью. Выдерживает до 5 тыс. циклов реального рабочего нагружения. Цвета – от серого до желтого (рис. 7).

Рис. 7. Мембрана из натурального каучука

SBR (Styrene-Butadiene Rubber) – стиролбутадиеновая резина; вид синтетической резины, применяемой только для систем отопления. Один из самых дешевых материалов. Допустимый диапазон эксплуатации до 100 °С. Менее эластична, чем перечисленные выше материалы. Цвет – черный.

NBR (Nutril-Butadiene Rubber) – материал, используемый для изготовления мембран, которые работают в таких активных средах как масло, топливо, фенолы. Температура эксплуатации – от –10 до +100 °С. Цвет – черный.

Находят применение и хлорбутиловые мембраны, что обусловлено конкретными технологическими процессами, для которых мембраны предназначены. Это наиболее долговечные и экологически чистые (но и одни из самых дорогих) материалы, используемые в пищевой промышленности. В табл.1 представлены требования стандарта и технические характеристики наиболее часто применяемых материалов при изготовлении мембран для рассматриваемого оборудования.

Таблица 1. Требования стандарта и технические характеристики наиболее часто применяемых материалов при изготовлении мембран (по материалам брошюры А. Торопова «Расширительные баки и гидроаккумуляторы»)

Как нам известно, в настоящее время проходят испытания лепестковые мембраны из полиэтилена, полипропилена и металлические мембраны.

Мы лишь можем дать рекомендации применять мембраны хорошо известных производителей и скептически относиться к заявлениям новых малоизвестных (особенно китайских) фирм. Но не будем забывать, что мембраны также изнашиваются, средний срок службы мембраны 3–5 лет. После этого рекомендуется заменить мембрану в баке-гидроаккумуляторе либо целиком расширительный бак.

Рис. 8. Резьбовое крепление ниппеля

Рис. 9. Приварной ниппель

2.3.3. Ниппель

Для создания противодавления в баках, которое помогает элластичной мембране «выдавливать» воду, к корпусу бака крепятся ниппели.

Как правило, в баках применяются стандартные ниппели 145 х 21 мм, с пластиковыми колпачками. Поставщиками ниппелей являются специализированные компании. В большинстве баков ниппели крепятся к корпусу посредством резьбового соединения. В баках с лепестковыми мембранами ниппель приварной. Такой способ крепления представляется нам более надежным и долговечным.

2.3.4. Фланец и контрфланец

Большим преимуществом всех разборных баков является возможность смены мембраны. И если баки для отопления производители научились выпускать с лепестковой несменной мембраной (в основном, из-за более низкой себестоимости), то баки-гидроаккумуляторы на 100 % имеют сменные мембраны.

Для разборки бака, ревизии ниппеля и для крепления мембраны в конструкцию бака включено фланцевое соединение. Исходя из рабочего давления толщина фланцев не превышает 3,2 мм (китайские обычно 2,4–2,7 мм). Фланцы для баков 5–18 литров имеют по четыре крепежных отверстия. Баки большего объема комплектуются контрфланцами с шестью отверстиями (рис. 10).

Рис. 10. Контрфланец

Применяются контрфланцы различных конструкций, материалов и способов изготовления. Обычные фланцы изготавливаются из углеродистой стали той же толщины, что и фланцы, и после приварки штуцера 3/4’’ либо 1’’ хромируются. По центру контрфланца выполняется сеточка рассекателя струи. Некоторые производители применяют цельнотянутые фланцы и в таком случае рассекатель струи сделан из полипропилена.

Для работы в установках питьевой воды и в обратноосмотических станциях контрфланец может быть выполнен из нержавеющей стали 12Х18Н10Т.

И наконец, для монтажа насосных станций с пластиковым корпусом применяют баки с пластиковыми фланцами (полипропилен, армированный фиберглассом). Такие контрфланцы дают возможность установки на них манометров и реле давления (рис. 11).

Рис. 11. Контрфланец из пластика

3. Основные схемы установки

3.1. Расширительные баки

Для систем отопления и внутреннего теплоснабжения в жилом, гражданском и промышленном строительстве в качестве теплоносителя применяется в основном вода. Вода циркулирует в трубах либо под действием сил гравитации (естественная циркуляция), либо побуждаемая циркуляционным насосом.

Разумеется, в таких системах для их защиты необходим расширительный бак. На рис. 12 показана принципиальная схема установки открытого (соединенного с атмосферой) расширительного бака. Обычно такие схемы применяются для отопления помещений небольшой площади (до 150–200 м²). Расширительный бак должен устанавливаться выше самой верхней точки системы. Конструктивно зеркало жидкости свободно контактирует с атмосферным воздухом. Основное требование при установке любого расширительного бака – между системой отопления и баком не должно быть запорных устройств.

Рис. 12. 1. Котел. 2. Распределительный щит. 3. Расширительный бак. 4. Подающий трубопровод. 5. Обратный трубопровод. 6. Прибор отопления.

На рис. 13 показана схема применения расширительных баков в системах с замкнутой циркуляцией.

Рис. 13. 1. Термометр. 2. Манометр. 3. Реле давления. 4. Автоматический воздухоудалитель. 5. Предохранительный клапан. 6. Циркуляционный насос. 7. Радиатор. 8. Измерительный патрубок. 9. 3-х ходовой смесительный клапан. 10. Регулирующий вентиль. 11. Датчик потока. 12. Мембранный расширительный бак для отопления. 13. Подпиточный клапан. 14. Отсекающий клапан. 15. Газоход. 16. Датчик температуры дымовых газов.

В системах отопления большого объема применяются расширительные баки с воздушным компрессором. В этих баках газ стравливается в атмосферу при сжатии мембраны. В этом случае бак может быть заполнен теплоносителем практически на 95 %. При снижении же температуры воды в системе автоматика включает компрессор, который «выдавливает» теплоноситель из бака, накачивая воздух «под мембрану».

3.2. Баки-гидроаккумуляторы

Повсеместное индивидуальное жилищное и дачное строительство ставит перед домовладельцами задачу холодного водоснабжения в домах и поддержание в системах комфортного стабильного давления. На рис. 14 представлены варианты принципиальных схем обвязки гидравлических аккумуляторов для стационарных установок и для комнатных установок водопотребления. Обычно во втором случае используются т. н. насосные станции, в состав которых входит гидроаккумулятор 24–100 литров. Также могут быть варианты, когда насос, применяемый в насосной станции, комплектуется баком большого объема.

Рис. 14. Системы повышения давления. 1. Насос. 2. Обратный клапан. 3. Реле давления. 4. Манометр. 5. Гидроаккумулятор. 6. Пятиходовое соединение. 7. Шланг в металлооплетке. 8. Всасывающий шланг.

3.3. Компенсаторы гидроударов

В водопроводных сетях старых домов мы нередко можем слышать дребезжание стояков, раковин, кранов. Это гидравлические удары в системах водоснабжения. Гидравлические удары возникают при быстром открытии или закрытии трубопроводной арматуры, при резкой остановке (обычно аварийной) насосов. В момент гидроудара динамическое местное давление возрастает в несколько раз. Такое давление может неблагоприятно влиять на бытовую технику (стиральные и посудомоечные машины, бойлеры и т. п.).

В этих случаях необходимо устанавливать компенсаторы гидроударов – мембранные баки малой емкости (рис. 15).

Рис. 15. Внешний вид компенсатора гидроудара

На рис. 16 показаны примеры использования баков-компенсаторов.

Рис. 16. Примеры использования компенсаторов гидроудара

3.4. Солнечные установки

Распространение в солнечных местностях системы подогрева воды в «солнечных» коллекторах также требует установки расширительных баков. В таких системах циркулируют обычно гликолевые смеси (этиленгликоль, пропиленгликоль), которые в коллекторах могут нагреваться до 300–400 °С. В связи с этим в расширительных баках солнечных установок применяют специальную бутиловую резину с рабочей температурой до 110 °С (ввиду того, что температура вытесненной жидкости в баках не поднимается выше этого значения из-за смешения с более холодным теплоносителем, находящимся внутри бака) и давлением в системе 10 бар. Ввиду небольших объемов циркуляционных контуров применяются баки объемом 12, 18, 24 литров.

4. Подбор баков

4.1. Расширительные баки и баки ГВС

Объем расширительного бака для системы отопления зависит от общей емкости системы. Его следует подбирать так, чтобы полезный объем бака был не меньше температурного расширения теплоносителя.

Исходными данными при расчете расширительного мембранного бака будут являться:

1) Объем теплоносителя (воды) в системе, V_сист, л. Данная величина может быть вычислена в зависимости от мощности системы.

2) Статическая высота (статическое давление). Высота столба жидкости в системе, находящегося под баком. Один метр столба жидкости создает давление 0,1 бара.

3) Предварительное давление расширительного мембранного бака, Р_предв – давление газа в газовой камере пустого расширительного мембранного бака при комнатной температуре. Эта величина должна равняться статическому давлению, создаваемому столбом жидкости в системе после ее заполнения. Таким образом, до введения системы в работу, давление газа в баке компенсирует статическое давление столба жидкости, в результате чего мембрана бака находится в равновесии и бак еще не заполнен.

4) Максимальное давление, Р_макс – максимальное давление в системе в месте установки расширительного мембранного бака.

5) Средняя температура системы, Т_ср, °С – средняя температура системы в процессе ее работы.

Порядок расчета

1) Определяется коэффициент расширения жидкости К_расш (прирост объема, %) при ее нагреве (охлаждении) от 10 °С (принимается, что система заполняется при температуре 10 °С) до средней температуры системы. Для определения этого коэффициента используются диаграммы 1 и 2.

Диаграмма 1. Температурное расширение воды в % при ее нагреве (охлаждении) от 10 °С до средней температуры системы

Диаграмма 2. Температурное расширение смеси воды и этиленгликоля в % при ее нагреве (охлаждении) от 10 °С до средней температуры системы

2) Определяется объем расширения V_расш – объем жидкости, вытесняющейся из системы при ее нагреве от 10 °С до средней температуры системы.

V_расш= V_сист · К_расш(л)

3) Определяется коэффициент заполнения расширительного мембранного бака (коэффициент эффективности) К_зап – при заданных условиях работы, который показывает максимальный объем жидкости (в процентах от полного объема расширительного мембранного бака), который может вместить бак. Все давления в формуле – абсолютные.

К_зап = (Р_макс– Р_предв) / Р_макс

4) Определяется потребный полный объем V расширительного мембранного бака и вводится коэффициент запаса 1,25.

V = (V_расш· 1,25) / К_зап (л)

5) Выбирается модель расширительного мембранного бака с округлением в сторону ближайшего целого.

Пример

Исходные данные:

Объем воды в системе:

V_сист = 1200 л.

Температура: Т = 90/70 °С.

Статическая высота: 5 м.

Максимальное давление: 3 бар.

Бойлер установлен в подвале.

Расчет:

1) V_расш= 1200 · 2,89 (по диаграмме)= 34, 68 л

2)

3)

Может быть рекомендован бак 80 л, т. е. объем расширительного бака при использовании воды в качестве теплоносителя равен 6–7 % от объема системы.

Для простоты расчетов можно использовать таблицу коэффициентов заполнения фирмы Zilmet (табл. 2). В ней показано, какая часть бака действительно заполнена теплоносителем.

Табл. 2. Коэффициенты заполнения расширительного бака

Данный пример расчета подходит не только к расширительным бакам отопления, но также может применяться при выборе баков ГВС и солнечных установок.