Мембранные расширительные баки

Общие сведения

Мембранные расширительные баки применяют в водяных гидравлически независимых закрытых системах с расчетной температурой теплоносителя в подающем трубопроводе до 100...120 ⁰С (в зависимости от характеристики бака), оборудованных автоматическим регулированием и защитой от превышения расчетных температур. Они предназначены для предотвращения возрастания статического давления в системе вследствие объемного расширения воды при повышении ее температуры, защиты оборудования от чрезмерного давления и коррозии, компенсации эксплуатационных потерь теплоносителя. Кроме того, упрощения конструирования и эксплуатации системы.

Рис. 29. Схема работы расширительного мембранного бака: 1- корпус; 2 - мембрана; 3 - присоединительный патрубок; 4 - ниппель (в зависимости от конструкции); 5 - декоративный колпак; 6 - газовое пространство; 7 - водное пространство; а - система отопления в начальном состоянии; б - система отопления в начальном состоянии; в - система отопления в рабочем состоянии при максимальной тепловой нагрузке; г -то же, после возмещения эксплуатационных потерь

Конструкция бака изображена на рис. 29. Он состоит из стального корпуса, разделенного на две части эластичной мембраной. Одна часть предназначена для воды системы отопления, вторая — заполнена газом (воздухом, азотом ...) под давлением. Их поставляют с избыточным начальным давлением газа АР_г, который заполняет все внутреннее пространство V_г (рис. 29,а). Такое состояние мембраны сохраняется при заполнении системы водой для того, чтобы в водное пространство не проникал воздух. При выводе системы в начальный режим (превышении давления воды над гидростатическим и соответственно над DР_г) в бак поступает вода в объеме, равном эксплуатационным потерям V_э В газовом пространстве уменьшается объем на величину V₃ и устанавливается начальное эксплуатационное давление DР₀. Вследствие нагревания теплоносителя до расчетной температуры объем водного пространства бака увеличивается на V_t (рис. 29,в)за счет возрастания статического давления в системе, а в газовом пространстве устанавливается максимальное значение избыточного давления DР_max. Из-за эксплуатационных потерь, которые приводят к снижению статического давленияв системе, мембрана выталкивает необходимый объем теплоносителя и в газовом пространстве устанавливается избыточное давление DР.

Работоспособность мембранного бака зависит от равновесия давлений в его газовом и водном пространствах.

Выбор

Расчет расширительного бака заключаетсяв подборе его объема, определении начального давления газового пространства и минимально допустимых диаметров присоединительных патрубков для бака и для предохранительного клапана.При заниженном объеме бака давление в нижних точках системы может превысить максимально допустимое, что приведет к аварийному истечению воды через резьбовые соединения или образованию трещин. Для предотвращения обязательно предусматривают установкупредохранительного клапана, при этом теплоноситель теряется в систему канализации, либо накапливается в специальных баках. Снижение температуры воды приводит к уменьшению ее объема в баке и падению давления в системе. При этом давлениев высших точках системы может стать меньше минимально допустимого по условиям невскипания воды и недопущения проникновения атмосферного воздуха. Поэтому объем бака должен быть четко обусловлен допустимым диапазоном гидравлического давленияв системе. Для этой цели обязательно на уровне присоединения бака устанавливают манометр с нижним диапазоном, не превышающим гидростатическое давление,и верхним диапазоном, не меньшим от максимально допустимого давления системы. Завышение емкости бака не имеет отрицательных последствий, но возрастает его стоимость. Полная полезная вместительность V— сумма полезной минимальнойV_t и резервной V_э (эксплуатационной) емкости и дм³ [19]-

V= V_t+ V_э,

где полезная минимальнаяемкость бака

k — коэффициент запаса; V_co — емкость системы отопления, м³; р₁, -плотность воды в системе отопления при ее заполнении, принимают равной 999,6 кг/м³ для t₁ = +10 °С; DV — приращение удельного объема, дм³/кг, воды в системе при ее нагревании от начальной t₁ к средней между расчетными горячей t_г охлажденной t₀ температурами воды, которые определяют по табл. 5 или формуле:

В данной формуле р₁ подставляют в кг/дм³, а р₂ — плотность воды, кг/дм³, принимают при температуре (t_r+ t_o)/2.

Емкость системы отопления V_co определяют одним из методов:

• точным;

• приблизительным.

Точный метод состоит в суммировании емкостей всех составных элементов системы отопления — котла (теплообменника), труб, отопительных приборов...

Приблизительный — в суммировании емкостей всех составных элементов системы отопления, определенных по удельным показателям, отнесенным к расчетной тепловой мощности (см. табл. 10.3 [8]). При использовании данного метода для определения емкости импортного оборудования следует учитыватьнесовпадение подходов к проектированию. В нашей практике, как правило, используют трубы с большими диаметрами, что требует увеличения емкости бака.

Эксплуатационная емкость V_a, дм³, предназначена для компенсации эксплуатационных потерь, возникающих па протяжении отопительного периода вследствие промывки фильтров, замены прокладок, отопительных приборов... Для современных систем отопления такие потери не должны превышать 5% вместительностисистемы. При двукратном за отопительный период восполнении эксплуатационных потерь — 2,5%.

V_э = 0,025 V_co 10³.

Начальное давление DР., Па, газового пространства бака

DРг = DРз+DРс

где DР₃ — избыточное давление, принимаемое равным 10...30 кПа, для недопущения нагнетания воды в бак при заполнении системы отопления; DР_С — гидростатическое давление воды, Па, действующее на бак при отсутствии циркуляции

где g — ускорение свободного падения, м/с²; _Pi — плотность воды в системе отопления при ее заполнении, кг/м³; h высота между точкой присоединения бака и наивысшей точкой системы отопления, м.

Максимальное значение давления DР_тах при расчетных условиях не должно превышать величину рабочего давления для всех элементов системы отопления и максимально допустимого давления для бака. С двух условий выбирают наименьшую величину и настраивают по ней предохранительный клапан. Допускается уменьшать это давление при соответствующем указании в инструкции по эксплуатации системы.

Начальное эксплуатационное давление системы DР₀ определяют из условия необходимости обеспечения заполнения бака резервным объе­мом воды, что достигается при DР₀ >DР_г. Определяют DР₀, Па, по уравнению:

где АР* — расчетное атмосферное давление, Принимают равным 10⁵ Па. Минимальную емкость газового пространства V_г находят по формуле:

а с учетом резервной емкости —

Стоимость расширительного бака зависит от его общей емкости. Уменьшения достигают путем увеличения максимального значения избыточного давления DР_тах в системе, что следует из данных уравнений, а также путем конструктивного усовершенствования бака.

Расширительные мембранные баки с компрессорно-спускными регулирующими блоками имеют значительно меньшую общую емкость ВЮ сравнению с вышерассмотренными, что показано в табл. 6. В ней приведены уравнения расчета общей емкости V_o (в обычных мембраныхбаках V_o = V_г) по полезной минимальной емкости V_t, либо по полнойполезной емкости V. Для первого случая в системе отопления необходимо предусмотреть автоматическую подпитку системы.

Бак с компрессорно-спускным блоком поддерживает давление в системе отопления путем автоматического регулирования давления в газовом пространстве бака. Он дополнительно имеет напорную емкость, компрессоруправляемый давлением, блок управления и спускной клапан, срабатывающийот перепада давления. Такие баки позволяют удерживать разность DР_max- DР_г в пределах избыточного давления DР₃, например, 20 кПа.

Применение незамерзающих жидкостей требует увеличения вме­стительности расширительных баков; для водоэтиленгликолевых сме­сей — на 4О...45%. При превышении V₀ для максимального типоразмера устанавливают параллельно несколько одинаковых бакои собщей ем­костью, не меньшей расчетного значения V_o.

Расширительные мембранные баки присоединяют к главной обрат­ной магистрали в индивидуальном тепловом пункте. При установке ба-ка выше самой низкой точки системы необходимо снизить расчетное значение АР_тау на величину гидростатического давления столба воды между отметками установки бака и наиболее низкой точкой системы. При использовании крышных котелен и размещении в них бака мини­мальное давление возле него принимают но рекомендациям производи­телей котелен, как правило, оно превышает 15 кПа. Все это отображаю!в инструкции по эксплуатации системы отопления.

Внутренний диаметр трубы ответвления,соединяющего бак с глав­ной сборной магистралью, должен быть не меньше 20 мм. Его определя­ют по формуле:

d > 0,7^< или^d * 0,7^,

где 0.7 — размерный коэффициент.

При параллельном соединении нескольких баков диаметры присое­диняющих труб должны быть одинаковы, а суммарная площадь попе­речных сечений труб — не меньше рассчитанной по диаметру из указан­ных формул.

Внутренний диаметр главного магистральногоучастка, к которому присоединяют ответвление, должен быть не меньше рассчитанного по этой же формуле.

Объем бака обусловлен гидравлическими давлениями системы ото­пления в нерабочем и рабочем состояниях, ее емкостью и наличием незамерзающих примесей. Неверный подбор давления газового про­странства бака приводит к периодическому протеканию резьбовых соединений, вскипанию теплоносителя, разрушению оборудования.

ФИЛЬТРЫ

Для обеспечения работоспособности и избежан ия повреждений терморегуляторов, автоматической запорно - регулирующейарматуры, трубопроводов и т. п. используют сетчатые фильтры. Особенно важно их применение при использовании чугунных радиаторов, из которых в течение многих лет эксплуатации вымываются частички формовочной массы. В системе отопления устанавливают фильтры с количеством ячеек на
1 см² не меньше 200. Частички оседают на сетку, которая находится под углом к потоку теплоносителя, исобираются в камере. Камера может быть оснащена шаровым краном для возможности промывки фильтра под напором воды в трубопроводе. При открывании крана вода промывает сетку и выносит накопленную грязь. Если конструктивно такой кран не предусмотрен, устанавливают и используют запорную арматуру для его отключения. Во всех фильтрах имеется возможность снятия сетки для регенерации без демонтажа корпуса. Сетка выполнена из нержавеющей стали, корпус — из латуни при резьбовом соединении, или чугуна — фланцевом. Условный диаметр соединений от 8 до 300мм. Размеры ячеек 0.3, 0.5, 0.8, 1.25, 1.6мм. Общий вид фильтровпоказан на рис. 30.

Эффективная функциональность современного оборудования систем отопления зависит от качества теплоносителя.

8. АВТОМАТИТЧЕСКИЕ ВОЗДУХООТВОДЧИКИ

Отопительныесистемы, как правило, являются закрытыми. К традиционным путям попадания воздуха в систему отопления при использовании пластиковых труб добавилась кислородная диффузия, котораяпроисходит через их стенки. Таким образом, в систему все время поступает дополнительный кислород, часть которого расходуется на коррозию металлов, а другая удаляется воздухоотводчиками. Производители пластиковых труб разными методами препятствуют такому процессу, конструктивно усовершенствуя их стенки путем нанесения защитных слоев и улучшения качества пластиков. Трубы, которые отвечают стандарту DIN 4726/29 (Deutches Institut fur Noramng),имеют кислородную диффузию меньше 0,1 г/м³ за 24 часа.

Для удаления воздуха по мере накопления в системе используют автоматические воздухоотводчики. Они состоят из корпуса и поплавка, который перемешаетсяпри накоплении воздуха, открывая и перекрывая через передаточный механизм выпускное отверстие. Кроме того, воздухоотводчик оснащен обратным клапаном, позволяющим демонтировать корпус без отключения системы. Имеется также пробка для закрытия воздух о выпускного отверстия. Условный диаметр присоедине­ния 10мм (при необходимости — 15мм). Общий вид воздухосборника показан на рис. 31.

Такие воздухоотводчики устанавливают в верхнем торце стояков. Их небольшой диаметр обеспечивает значительное уменьшение пло­щади контакта воды и воздуха по сравнению с традиционными отечественными проточными конструкциями, предотвращая обратный процесс — проникновение кислорода в воду.

Новыми подходами для пашей практики проектирования является использование залорно-регулирующейарматуры с пробками или вентильками в корпусе, которыми осуществляют ручное удаление воздуха; отводов на 90° для торца верхней части стояка со встроенным краном Маевского; автоматических воздухоотводчиков на отопительных приборах и т.п.

Автоматический вертикальный воздухоотводчик— самое действенное устройство продления срока эксплуатации системыотопления.

ТРУБЫ И ФИТИНГИ

Сегодня для проектирования систем отопления существует большой выбор материалов, из которых изготовляют трубы, — сталь, медь, PVC, CPVC, РВ, РЕХ, многослойные и др. Каждый из них имеет как преимущества, так и недостатки, поэтому выбор должен быть технически обоснованным.

Проектируя системы отопления из различных труб, необходимо обращать внимание на такие понятия как внутренний и внешний диаметры и не подменять их диаметром условного прохода. В особенности это касается выбора теплоизоляции и гидравлических расчетов. Сравнение геометрических характеристик некоторых труб с условным проходом 40мм приведено в табл. 7.

Таблииа 7.

Геометрические характеристики труб

Шероховатость стенок трубы зависит от материала изготовления; характера механической обработки внутренней поверхности; времени эксплуатации и т. п. Ориентировочные значения коэффициента эквивалентной шероховатости k₃, мм, для труб:

новых цельнотянутых стальных .... 0,03...0,05;

новых сварных стальных ................ 0,03...0,10;

старых сварных стальных.........................0,15...0,5;

оцинкованных стальных ..................... 0,1.-0,2;

стальных (для гидравлических расчетов) 0,2;

медных .......................................................... 0,01;

полипропиленовых ................................. 0,007;

полиэтиленовых ....................................... 0,005;

полихлорвиниловых ................................ 0,001.

Характеристики труб принимают по данным производителей. Ориентировочные их значения приведены в табл. 8.

Соединения пластиковых труб осуществляют эксклюзивнымифитингами. Соединения труб разных производителей требуют соответ

ствующих адаптеров (переходников). «Данфосс» для соединения запорно-регулирующей арматуры с трубами из меди, стали, РЕХ, VPE, РЕХ-А1-РЕХ изготовляет фитинги, которые показаны на рис. 32.

При скрытой прокладке труб (в штрабах, полу...) используют только неразъемные соединения.

Использование труб и фитингов с уменьшенным сопротивлением не только экономит энергию на прокачку теплоносителя, а и улучшает управляемость потоков терморегуляторами и другими автоматическими клапанами.