Розрахунок обсягу розширювального бака для закритої системи опалення

Зміст

• Принцип роботи розширювального бака
• Критерії вибору обсягу розширювального бака
• Формула розрахунку обсягу розширювального бака

• Додаткові рекомендації

Розширювальний бак – це ємність, що є частиною рідинної опалювальної системи, та призначена для прийому надмірної кількості води, що виникає при її нагріванні та одночасному тепловому розширенні. Подібні вироби, також звані гідроакумуляторами, використовуються для балансування автономних мереж обігріву. Простіше кажучи, основні завдання розширювального бака – це вирівнювання кількості нагрітого до високих температур теплоносія та підтримка заданого тиску. Ну а те, наскільки ефективно гідроакумулятор справлятиметься з цими завданнями, залежить від того, наскільки правильно вибрано його внутрішній об'єм. Оскільки вона може бути абсолютно різною, цей вибір залежить від певних умов. Тому в цьому матеріалі буде розглянуто питання того – як розрахувати обсяг розширювального бака для закритої системи опалення?

Принцип роботи розширювального бака

Перед переходом до розгляду методики розрахунку обсягу гідроакумулятора опалювальної системи, потрібно вивчити принцип функціонування будь-якого такого пристрою. Його треба знати тому, що хоча такі ємності функціонально досить прості, їх важливість не варто недооцінювати. Адже помилка у розрахунках габаритів розширювального бака може стати причиною виходу з експлуатації всієї мережі обігріву та значних витрат на її відновлення. Стандартний гідроакумулятор є герметичною металевою ємністю, внутрішній простір якої на дві частини розділяє спеціальна еластична мембрана. При цьому у верхню його порожнину закачується повітря, що створює необхідний тиск в системі. А в нижню порожнину подається гаряча рідина, яка постійно стикається з мембраною.

У процесі функціонування системи опалення розігрітий теплоносій розширюється і його надмірна кількість надходить у гідроакумулятор, пересуваючи мембрану у напрямку повітряної камери, в якій одночасно підвищується тиск. А коли рідина поступово остигає, стиснене повітря починає витісняти воду з бака назад у комунікації мережі обігріву. Саме так у ній і підтримується потрібний тиск. Відповідно, нескладно здогадатися, що надто великий розширювальний бак не зможе створити необхідний тиск в системі. У свою чергу, надто маленька ємність не зможе прийняти надмірну кількість води, що швидко призведе до пошкодження трубопроводів та іншого теплотехнічного обладнання. Тому розширювальний бак для опалення завжди встановлюється в подібній інженерній системі в обов'язковому порядку.

Приблизний вміст теплоносія у системах опалення

Визначення оптимального об'єму розширювального бака слід розпочинати з з'ясування кількості рідини, яка заповнює конкретну мережу обігріву. Цей параметр дорівнює сумі обсягів котла, всіх трубопроводів та інших опалювальних приладів. Говорячи про приблизні цифри, можна взяти до уваги, що на 1 кВт потужності у різних системах доводиться:

• При використанні радіаторів – 10,5 л теплоносія;
• При використанні конвекторів – 7 л теплоносія;
• При використанні теплої підлоги – 17 л теплоносія.

При цьому необхідно зазначити, що точний розрахунок місткості системи опалення досить складний, тому виконати його якісно можуть тільки фахівці. В іншому випадку власники приватного будинку зможуть визначити його приблизно. Для цього зазвичай приймається, що на 1 кВт потужності існуючого котла припадає 15 л теплоносія. Відповідно, якщо потужність теплогенератора становить 20 кВт, приблизна кількість рідини в системі становитиме: 20 кВт х 15 л = 300 л.

Критерії вибору обсягу розширювального бака

Зміст теплоносія в мережі обігріву - не єдиний фактор, що впливає на вибір гідроакумулятора. Оптимальний розмір розширювального бачка системи опалення залежить від трьох параметрів:

• Обсягу рідини в системі – чим він більший, тим більшими повинні бути габарити гідроакумулятора;
• Температури рідини – чим сильніше вона нагрівається, тим місткішою повинна бути розширювальна ємність;
• Тиск у системі – що вищий його максимально допустимий рівень, то менше має бути обсяг бака.
• Загальної висоти елементів системи – чим менша відстань від місця встановлення гідроакумулятора до верхньої точки мережі, тим менше має бути об'єм бака.

Таким чином, правильний об'єм побутового розширювального бака знаходиться у прямій залежності від кількості та температури теплоносія, та у зворотній залежності – від рівня тиску в мережі обігріву.

Коефіцієнт зростання обсягу води та водогліколевої суміші залежно від температури

Як відомо, всі рідини розширюються при нагріванні. Тому цей факт необхідно брати до уваги в процесі розрахунку обсягу розширювального бака для опалення. Так, при нагріванні до 95 ° С вода збільшується обсягом на 4 %. Важливо, що ця цифра досить точною, щоб її можна було без побоювань використовувати в розрахунках. Однак, необхідно знати, що все трохи складніше, якщо в якості теплоносія в мережі обігріву використовується водогліколева суміш. У такому разі все залежить від кількості етиленгліколю в її складі, а коефіцієнт розширення робочої рідини визначається так:

• 4 % х 1,1 = 4,4 % – якщо кількість етиленгліколю становить 10 % загального обсягу теплоносія;
• 4% х 1,2 = 4,8% - якщо кількість етиленгліколю становить 20%;
• 4 % х 1,3 = 5,2 % – якщо кількість етиленгліколю становить 30 % і далі за аналогією.

Також слід підкреслити, що зазначені вище величини змінюватимуться залежно від температури, до якої нагрівається теплоносій. Так, за 80 °С коефіцієнт розширення води становить 0,029. Якщо ж 10 % її обсягу замістити етиленгліколем, коефіцієнт становитиме 0,032. У свою чергу рівнопропорційна суміш гліколю з водою (по 50 %) матиме коефіцієнт розширення 0,0436. Розібравшись з основними критеріями та величинами, що використовуються при розрахунку місткості гідроакумулятора, можна переходити до безпосереднього підрахунку оптимального його обсягу.

Формула розрахунку обсягу розширювального бака системи опалення

Для вибору оптимального розміру гідроакумулятора зазвичай застосовується наступна спеціальна формула:

V = (VL x E) / D

У ній використовуються такі позначення:

• VL – загальна ємність опалювальної системи, що включає об'єм котла, всіх теплових акумуляторів (конвекторів, радіаторів та не тільки), а також місткість трубопроводів;
• Е – коефіцієнт розширення використовуваної робочої рідини (теплоносія);
• D – ефективність розширювального бака (мембранного типу).

При цьому остання величина залежить від двох параметрів:

PV – максимального робочого тиску у системі та PS – тиску зарядки мембранного бака. Для спрощення розрахунків, у разі приватних будинків прийнято вважати достатнім PV = 2,5 бар. У свою чергу, PS має дорівнювати статичному тиску в мережі обігріву та приймається 0,5 бар = 5 м.

Приклад розрахунку обсягу розширювального гідроакумулятора

Для наочності розглянемо приклад із приватним будинком площею 200 м2, роботу автономної системи опалення якого забезпечує казан потужністю 20 кВт. Частиною мережі обігріву висотою 5 м також є теплоакумулятор об'ємом 700 л. Розрахунок починається з з'ясування загального обсягу теплоносія:

VL = (20 х 15) + 700 = 1000 л

де 20 кВт – потужність казана; 15 л – питомий об'єм теплоносія на 1 кВт потужності котла, а 700 л – об'єм акумулюючої ємності.

Тепер можна переходити до розрахунку ефективності мембранного бака за формулою: D = (PV - PS) / (PV + 1)

Для цього прикладу прийнято, що PV = 2,5 бар і S = 0,5 бар. Відповідно:

D = (2,5 - 0,5) / (2,5 + 1) = 0,57

Після цього можна визначати безпосередній об'єм розширювального бака:

V = 1000 х 0,04 / 0,57 = 70,18 л де 0,04 - коефіцієнт розширення теплоносія, якою в цьому прикладі виступає звичайна вода.

Оскільки в каталогах всіх виробників присутні гідроакумулятори стандартних типорозмірів, вкрай рідко можна купити розширювальний бак з таким обсягом, який повністю відповідатиме розрахунковому. Тому, результат підрахунків потрібно округляти у бік і набувати ємність наступного більшого розміру. У цьому випадку підходить стандартна місткість бака 80 л.

Округлення місткості у велику сторону важливе ще й тому, що розширювальні баки в системах опалення необхідні не тільки для компенсації мінливих об'ємів теплоносіїв, але і для поповнення їх можливих незначних витоків. Для цього в таких резервуарах передбачаються запаси рідин, які називаються експлуатаційними обсягами. Фахівці рекомендують, щоб вони становили не менше ніж 3 % ємностей систем опалення.

Додаткові рекомендації

На відміну від застарілих відкритих гідроакумуляторів, які вже майже не використовуються, сучасні розширювальні баки закритого типу можна монтувати в будь-яких частинах систем опалення, а не тільки в найвищих точках. У цьому полягає значна перевага таких мембранних компенсаторів тиску. При цьому невеликі бачки об'ємом 20 - 25 л встановлюють, часто, разом з циркуляційним насосом потужністю приблизно 1,2 кВт. Більші ємності, що вміщають 20 - 60 л, поєднують з нагнітачами рідини потужністю до 2,0 кВт. Обов'язкове використання циркуляційних насосів в сучасних системах опалення обумовлено тим, що примусова циркуляція, що створюється ними, дозволяє зробити таку мережу значно більш ефективною, порівняно з мережами з природною циркуляцією.

Крім того, на ринку присутні і компенсуючі пристрої великих обсягів на 100 – 200 л. Такі вироби, крім прямого призначення, здатні виконувати функцію накопичувальних резервуарів для нагрітої води. Хоча, використовувати їх у такій якості можна лише у разі відключення основного джерела гарячого водопостачання на відносно короткий термін. Як було зазначено вище, стандартні типорозміри теплових розширювальних ємностей можуть бути абсолютно різними. Тому серед них зустрічаються навіть моделі з настільки великими габаритами, які не проходять у звичайні прорізи дверей. І тут одну величезну ємність варто замінити на кілька менших. Найголовніше, щоб їхній сумарний обсяг дорівнював розрахунковому. Тоді система опалення перебуватиме в безпеці від перепадів тиску теплоносія, що розширюється.