Объём расширительного бака, расчёт:
«Чем больше бак, тем больше в нём воды про запас» — ошибочное суждение. Задача расширительного бака — регулировать давление в системе, а не накапливать воду. Выбирать объём бака рекомендуется по числу водозаборных точек:
1-2 точки — до 50 л;
3-4 точки — 80-100 л;
4-5 точек — 150-200 л.
Важно учитывать не только количество точек забора воды, но и мощность насоса:
0,5 кВт — от 24 л;
1 кВт — 50 л;
1,5 кВт — 100 л;
2 кВт — более 100 л.
Это приблизительные значения, которые должны служить ориентиром при выборе объёма гидроаккумулятора в зависимости от мощности насоса. Точный расчёт объёма бака проводится по формуле:
, где
Vt — объём бака (литр);
Аmах (бар) — максимальный объём потребляемой воды (литры/мин);
Pmin (бар) — минимальное давление, при котором происходит запуск насоса;
Рmах (бар) — максимальное давление, при котором насос отключается;
Ррrес (бар) — начальное давление в резервуаре;
К — коэффициент, соответствующий мощности насоса Р, для расчёта объёма запаса воды Vu = К Аmах.
Стандартное начальное давление расширительного бака — 0,2 бара.
Зачем нужен расширительный бак и каких видов он бывает
Расширительный бак – это обязательный атрибут любой системы отопления, какой бы она ни была, закрытого или открытого типа, с естественной или с принудительной циркуляцией теплоносителя.
Расширительный бак, как можно понять из названия, отвечает за компенсирование эффекта расширения воды при нагревании, а также за обеспечение достаточного объёма воды при её сжатии (в момент остывания).
Итак, системы отопления бывают открытого и закрытого типа. В каждой из них расширительный бак выполняет разные функции:
В закрытых (замкнутых) системах отопления нет сообщения с атмосферой, объём жидкости (воды или теплоносителя) фиксированный, он определяется внутренним объёмом всех труб и других узлов (змеевиков в контуре нагрева, насосов, радиаторов и т.д.). Если попытаться нагреть воду в таком контуре, то объём воды начнёт увеличиваться. Если не будет элемента, обеспечивающего компенсацию расширения, то вода начнёт давить на стенки труб и других узлов. В какой-то момент это может привести к разрыву трубы или другого элемента системы.
В открытых системах отопления вода (теплоноситель) соприкасается с атмосферой. Нагрев здесь не так страшен, так как вода при расширении не будет создавать излишнего давления, она просто вытечет, если ей станет «тесно». Но с другой стороны, если нагрев остановить, то при остывании вода начнёт сжиматься. В этом случае без специального хранилища (расширительного бака, параллельно выступающего в роли резервуара или накопителя) жидкость перестанет заполнять все узлы или трубы. Как итог может образоваться воздушная пробка, тепло перестанет распространяться по всему контуру. Даже если воду нагреть снова, то она может не вернуться в прежний объём, ведь расширяться будет только тот теплоноситель, который находится между котлом и воздушной пробкой.
Обратите внимание! Даже если у вас в системе будет устанавливаться расширительный бак, это не освобождает вас от необходимости установки клапана сброса давления. В закрытых системах лишнее давление может возникать не только по причине расширения воды при нагреве. Например, к повышению давления может приводить система подпитки или встроенный циркуляционный насос. В конце концов бак может выйти из строя, тогда расширение компенсироваться не будет.
Как рассчитать расширительный бак для закрытых систем отопления
Закрытый расширительный бак обычно представляет собой цилиндрический сосуд, разделённый внутри на две части с помощью специальной гибкой мембраны. С одной стороны на мембрану давит воздух (иногда его могут заменять на азот), а с другой стороны – вода (или иной жидкий теплоноситель).
Если давление воды увеличивается, то она начинает толкать мембрану в сторону воздуха, сжимая его в объёме. Естественно, объём, занимаемый водой, увеличивается. Если температура теплоносителя падает, он начинает уменьшаться в объёме. Давление падает и воздух вытесняет жидкость обратно.
По своей конструкции – это классический гидроаккумулятор, только мембрана здесь устойчива к высоким температурам.
Вода не может занять 100% расширительного бака, она занимает только определённую его часть. При сужении/расширении теплоносителя неизбежно изменяется давление в системе отопления.
Итак, у расширительного бака есть стартовое давление. В идеале оно должно равняться статическому давлению в системе отопления (перед запуском). Статическое давление будет определяться высотой водного столба отопительной системы. Особенно этот параметр актуален для домов, имеющих несколько этажей.
Например, водяной столб высотой 10 метров создаёт давление примерно в 1 атмосферу. 5 метров столба – 0,5 атм. 1 метр – около 0,1 атм.
Расширительные баки, предлагаемые в розничных магазинах, обычно имеют стартовое давление около 1,5 атм. (то есть они могут работать с отопительными системами с высотой столба до 15 метров). Когда вы запустите систему отопления, то котёл скорее всего будет показывать ошибку, пока вы не поднимите давление теплоносителя до 1,5 атм (подробнее про регулировку газовых котлов), чтобы убрать разность давлений между расширительным баком, встроенным в котёл, и давлением теплоносителя.
Вода имеет свой коэффициент расширения. Этот коэффициент может меняться в зависимости от температуры.
Если воду смешать с другими теплоносителями, например, с этиленгликолем, то коэффициент изменится.
Подсмотреть типовые коэффициенты можно в специальных таблицах, например, в таких:
Или в таких:
Вместо таблиц можно использовать графики:
Из графика видно, что при нагреве от 4 до 95 градусов вода может увеличиться в объёме примерно на 3,81% (для удобства расчётов округлим до 4%).
Когда в бак поступают излишки воды, то в нём растёт давление. Для всех баков производители устанавливают показатели максимального давления. Обычно это порядка 5-6 атм., но нужно помнить, что если в системе отопления установлен клапан сброса, то он срабатывает теплоноситель примерно на 2,5-3 атмосферах.
Чтобы посчитать эффективность работы расширительного бака, нужно учесть стартовое и конечное (максимальное давление).
Эффективность бака (Эб) считается так:
Эб = (Pmax – Pmin) / (Pmax)
Для нашей ситуации эффективность расширительного бака будет составлять (2,5 – 1,5)/2,5 = 1/2,5 = 0,4.
Общая формула расчёта объёма расширительного бака выглядит следующим образом:
V = (Vmin * k) / Эб
Здесь:
V – минимальный объём бака;
Vmin – объём жидкости во всей системе отопления в остывшем состоянии;
k – коэффициент расширения воды/теплоносителя при нагреве;
Эб – эффективность бака.
Пример расчёта:
Исходный объём системы – 265 литров (из них 200 литров – бойлер косвенного нагрева, а 65 литров – внутренний объём труб, радиаторов и котла).
Коэффициент расширения – 0,04 (4% для воды при температуре 95 градусов).
Эффективность бака – 0,4 (рассчитывали выше).
Тогда объём бака должен быть:
265*0,04/0,4 = 10,6/0,4 = 26,5 (литров).
Более простой способ расчёта
Объём расширительного бака считают примерно как 10% от объёма системы отопления (исходный объём воды во всех узлах в остывшем состоянии).
То есть для примера расчётов, которые приведены выше, бак должен был быть как минимум следующего объема:
265*0,10= 26,5 (литров).
Никакой погрешности на выходе нет из-за того, что в большинстве систем отопления используются одни и те же показатели минимального и максимального давления, а именно они участвуют в расчёте эффективности бака.
Как проверить свои вычисления и откуда взялась исходная формула
Расширение воды при нагреве устанавливается экспериментальным путём, поэтому на коэффициент повлиять никак нельзя.
В нашем случае исходный объём воды при расширении даст следующий прирост:
265*0,04=10,6 литра.
Получается, что расширительный бак должен принять в себя 10,6 литра, чтобы вода не повышала давление на стенки труб и радиаторов.
Но внутри бака находится газ (воздух), при нагнетании туда воды объём газа начнёт уменьшаться, газ будет сжиматься, соответственно, начнёт расти его собственное давление.
Закон Бойля – Мариотта гласит:
Давление массы газа обратно пропорционально объёму газа.
Получается зависимость:
Vисх/Vкон = Pкон/Pисх
Она же может быть записана так:
Vисх*Pисх = Vкон * Pкон
Исходный объём газа в нашем случае – пустой бак, 26,5 литра.
После вмещения излишка воды в нём останется 26,5-10,6=15,9 литра.
Стартовое давление в системе 1,5 бар. Благодаря формуле, приведенной выше, легко посчитать давление, получаемое после сжатия:
26,5 * 1,5 = 15,9 * Pкон
Pкон = 26,5*1,5/15,9
Pкон = 2,5 бар.
Таким образом получается, что, если в бак объёмом 26,5 л поместить больше воды, то давление начнёт превышать давление сброса (2,5 бар на клапане).
Поэтому объемом меньше, чем 26,5 литров, расширительный бак при таком количестве теплоносителя быть не может.
Как рассчитать объём открытого расширительного бака
В отличие от закрытых систем, в открытых нет эффекта повышения давления. Соответственно, единственная задача бака – вместить в себя излишек воды.
Считается этот излишек на основе коэффициента расширения теплоносителя.
Например, для воды этот коэффициент мы указали выше – 4%.
Пример расчёта:
Количество секций радиаторов – 55 штук.
Вместимость каждой секции – 0,4 литра.
Длина всех труб – 110 метров.
Внутренний диаметр трубы – 4 см (0,04 м), радиус 0,02 м
Площадь сечения трубы (π*r2) – 3,14*0,02*0,02 = 0,001256 м2.
Вместимость одного метра трубы – 1*0,001256 = 0,001256 м3 = 1,256 литра (умножаем на 1000, так как в одном кубе 1000 литров).
Тогда общая вместимость системы:
V воды = 55*0,4 + 110 * 1,256 = 22 + 138,16 = 160,16 литров (примерно 160).
Объём излишка воды при расширении:
V*k = 160 * 0,04 = 6,4 литра
Значит, расширительный бак должен быть не менее 6,4 л.
Рекомендуется делать небольшой запас – 10%.
Тогда логично выбрать бак примерно 6,4*1,1 = 7,04 литров.
Выводы и рекомендации
Обратите внимание, что простая формула (с умножением на 10%) для закрытых систем срабатывает только для ситуаций со стандартными параметрами минимального и максимального давления: исходное давление в баке составляет 1,5 бар, а максимальное давление до сброса — 2,5 бар.
Если эти пороговые значения регулировались на месте, то нужно считать объём бака по исходной сложной формуле.
Поделиться с друзьями: