Назначение расширительных баков и гидроаккумуляторов

Расширительные баки – технические устройства, предназначенные для компенсации избыточного (измененного) давления (объема) в системах отопления и холодоснабжения и позволяющие корректировать процесс работы нагревательной установки.

Чтобы лучше представить, для чего нужны расширительные баки, рассмотрим работу замкнутой системы отопления. При работе котла температура жидкости теплоносителя в системе отопления повышается. Известно, что жидкость при этом расширяется, примерно на 0,3% на каждые 10°С. Если температура изменилась на 70°С, то первоначальный объем теплоносителя увеличился на 2,1%. Допустим, что в системе отопления находится 100 л теплоносителя, тогда его объем увеличится на 2,1 л, но жидкости практически несжимаемы, и если система отопления не будет снабжена устройством, компенсирующим объемные расширения, то неизбежно произойдет ее разрушение.

Гидравлические аккумуляторы - технические устройства для автономного снабжения водой потребителя в заданном объеме при заданных стабильном давлении и расходе воды. Они применяются в системах водоснабжения домов, где отсутствуют системы центрального водоснабжения, и обеспечивают постоянную готовность системы водоснабжения к работе под стабильным давлением.

Расширительный бак для водоснабжения, по технической сути, современное воплощение водонапорной башни. Эти устройства обеспечивают достаточную подачу воды, необходимой потребителю, между тактами включения насосов, сокращая общее число циклов, экономя электроэнергию, увеличивая срок службы электродвигателей насосов и всей системы в целом. Кроме того, гидроаккумуляторы нашли применение в системах полной автономной работы (например, на яхтах) в качестве источника водоснабжения холодной водой, в системах автономного пожаротушения. Отдельная тема применения гидроаккумуляторов – системы, где важно точное поддержание конечных гидравлических параметров, при нестабильных характеристиках значений исходных данных. Это системы повышения и поддержания давления и многие другие специальные технологические установки.

Гидравлические аккумуляторы применяются также в качестве резервных баков, обеспечивающих подачу воды в заданном объеме в период отключения электроэнергии, емкостей с огнегасящей жидкостью в системах пожаротушения и резервуаров с готовой к употреблению водой для автономных систем: яхт, кораблей, подводных лодок, поездов, самолетов. В системах фильтрации в них аккумулируется очищенная, готовая к употреблению вода. Эти устройства широко используются в промышленности (например, в автоматах выдачи напитков, соков, молока), когда предъявляются высокие требования к гигиене, и в химическом машиностроении – при работе с активными жидкостями. Расширительные баки находят свое применение в системах отопления и горячего водоснабжения как компенсаторы, в водопроводных сетях – как устройства, предохраняющие от гидравлических ударов бытовую технику, при включении и выключении насосов, быстром открытии и закрытии запорных кранов.

Конструктивно расширительные баки и гидроаккумуляторы очень похожи: 1 – ниппель для закачивания и стравливания воздуха; 2 – штуцер для стравливания воздуха; 3 – место крепления навесного оборудования; 4 – мембрана; 5 – корпус бака; 6-опора; 7 – штуцер для подключения трубопроводов; 8 – фланец.

Однако по назначению, характеру работы и материалу главного элемента – мембраны для гидроаккумулятора – это разные устройства. Изменение температуры в системах отопления происходит медленно, а температура теплоносителя – высокая, часто достигающая 90°С. Так работают расширительные баки. В системах водоснабжения холодной водой температура никогда не превышает 30°С, но при гидроударах нагрузка весьма динамична и кратковременна. В установках поддержания давления работа гидроаккумулятора также происходит достаточно активно. Кроме того, в первом случае рабочей средой является теплоноситель, а во втором – вода, в том числе питьевая. То есть предъявляются совершенно разные гигиенические требования.

ОСНОВНЫЕ ТИПЫ РАСШИРИТЕЛЬНЫХ БАКОВ И ГИДРОАККУМУЛЯТОРОВ

По форме расширительные баки подразделяются следующим образом:

   - плоские прямоугольные и круглые баки малых (от 5 до 20 л) объемов, предназначенные для настенных котлов и размещенные внутри корпуса.  Их форма зависит от размеров котла, свободного пространства и, как правило, разрабатывается индивидуально для каждого производителя  (внешний  вид таких баков представлен на рис. 3);

   - сферические  и  цилиндрические (вертикального и горизонтального исполнения) расширительные баки, применяющиеся в индивидуальных (от 5 до 100 л) и промышленных (от 5 до 10 000 л) системах отопления.

По типу мембраны, установленной на баке, цилиндрические и сферические баки применяются с заменяемой (фланцевые) и незаменяемой мембраной. Незаменяемые мембраны называют еще диафрагмами.

Гидроаккумуляторы по форме бывают горизонтального и вертикального исполнения, а также с платформами для крепления  навесного оборудования (рис. 6) и без них.

По величине рабочего давления все перечисленные устройства делятся на бытовые (6 бар) и профессиональные (10, 16 и 25 бар).

Характеристики мембран. Структура мембран

Мембрана – один из основных элементов, влияющих на работоспособность и надежность рассматриваемых систем. Ее форма может быть диафрагменной, шаровой и баллонной. При больших объемах баков в верхней части мембраны баллонного типа расположено отверстие для стравливания воздуха при первом пуске и периодического обслуживании системы. Для вертикальных баков больших размеров используют мембраны грушевидной формы. Некоторые типы мембран представлены на рис.

Структура мембраны определяет надежность и долговечность системы. К сожалению, универсального материала не бывает. Перечислим основные моменты, на которые следует обратить внимание при выборе материала и типа мембран:

   - рабочий диапазон температур;

   - санитарно-гигиенические требования;

   - динамичность работы системы;

   - долговечность;

   - стойкость к диффузии воды.

Существует два основных способа производства мембран: первый основан на компрессионном формовании мембран из листовой сырой резины с последующей вулканизацией; второй - связан с экструзионным заполнением термопластическими эластомерами пресс-форм с последующими фиксацией и охлаждением.

Единого стандарта на форму мембран нет, устройство мембран может тем или иным образом отличаться. Даже фланцы мембран у разных заводов - разные. Крупные изготовители баков имеют свои небольшие заводы по производству наиболее массовых моделей мембран. А мембраны больших размеров выпускаются на специализированных предприятиях. На ряд материалов, применяемых для пищевой промышленности, существуют международные сертификаты.

Если рассматривать современные методы изготовления мембран, то все они основаны на применении термопластических эластомеров (ТРЕ), обозначающих ряд полимерных составов, которые имеют некоторые свойства резины (мягкость, упругая «память», гибкость), но, в отличие от резины, определенно обладают способностью быть переплавляемыми, как любой другой термопластический материал. Экструзионный метод изготовления занимает меньше времени и позволяет автоматизировать процесс изготовления мембран.

В последнее время наибольшее распространение получили следующие виды мембран:

EPDM (Ethylene Propylene Diene01епе Monomer) – этилен-пропи-лен-диен-мономер (тройной полимер, который состоит из трех отдельных мономеров); резиновый материал (основные составляющие – этилен и пропилен). 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 температуру до 95°С, может применяться для санитарной воды. Главное его преимущество – долговечность. Мембраны из него выдерживают 100 тыс. циклов динамического нагружения. Цвет-черный.

BUTYL – синтетическая бутиловая резина, менее эластичная, чем резина из EPDM, но обладает меньшей водопроницаемостью при высоких температурах. Применима для работы до 99°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 к диффузии воды и слабой динамической стойкостью. Выдерживает до 5 тыс. циклов реального рабочего нагружения. Цвета – от серого до желтого.

SBR (Styrene Butadiene Rubber) -стирол-бутадиеновая 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 (Nitril-Butadiene Rubber) – материал, используемый для изготовления мембран, работающих в среде более активных сред (масло, топливо), температура эксплуатации   – от -10 до +100°С. Цвет-черный.

В последнее время находят применение хлор-бутиловые 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. представлены требования стандарта и технические характеристики наиболее часто применяемых материалов при изготовлении мембран для рассматриваемого оборудования.

Качество (характеристики мембран)

Вопрос качества и правильных размеров мембран чрезвычайно важен. В большинстве случаев именно эти параметры определяют работоспособность системы в целом. С размером всё ясно. Если в гидроаккумуляторе или расширительном баке установлена мембрана меньшего размера, то при работе системы она лопнет. При установке требуйте от монтажной организации проверки работоспособности мембраны в экстремальных случаях нагружения. Гораздо сложнее с материалом мембран. Выше показано, что мембрана из натурального каучука выдерживает 5 тыс. циклов нагружения, а EPDM-мембрана – 100 тыс. Ясно, что надо покупать второй тип мембран. Вопрос только в том, КАК ОПРЕДЕЛИТЬ, ЧТО ВАМ ПРОДАЛИ ИМЕННО EPDM-МЕМБРАНУ?

- Поверить продавцу?

- А он знает???

И всё-таки сначала опишем устройство мембраны из натурального каучука,  а потом перейдем к более сложным - искусственным каучукам.

Главный компонент материала – натуральный каучук. В настоящее время его поставка осуществляется из Малайзии и Африки. К сожалению, качество этого материала в состоянии поставки очень разное. Часто в материал попадают включения (песок, щепки, кости, камни и т.д.), убрать которые очень сложно. И, к сожалению, эти включения попадают в материал мембраны при работе являются концентраторами разрушений. Но беда не только в этом. Борясь за понижение цены исходных компонентов, некоторые производители добавляют в сырье дешевые добавки. Например, мел (до 25% массы!!!). Мембрана получается красивой, белой, дешевой, только воды пропускает больше, чем надо.

Еще хуже с типами мембран из искусственных каучуков. Многие из них черного цвета.

Что делают некоторые производители в тех странах, где не существует контроля за качеством продукции, или тех, где не наказывают за фальсификацию. Они добавляют сажу в натуральный, удешевленный присадками каучук и получают резину черного цвета, выдавая ее за EPDM. Таким образом, мы получаем самую дешевую резину по высокой цене.

Реально искусственная резина – смесь, состоящая из 12-15 компонентов. Именно процентное соотношение компонентов и является коммерческой тайной. Именно это определяет механические свойства готовой продукции, прочность, эластичность, стойкость к температуре, среде. От этого зависит и ЦЕНА. Заменили компоненты на более дешевые, изменили пропорции-получили ДРУГУЮ резину.

Бутиловая резина смешивается с натуральной. Но в какой пропорции – 80 : 20, или 20 : 80? Добавили немного сажи и получили якобы бутиловую мембрану черного цвета. Но с какими характеристиками?

Важно также соблюдать правильно технологический процесс изготовления. В частности, время вулканизации, если используется метод «вулканизация под давлением». Сократили время, сэкономили электричество – получили липкую мембрану, которая разорвется при первом на-гружении.

Вывод напрашивается сам: покупайте проверенные виды мембран у известных компаний-производителей!

Системы повышения давления

Системы повышения давления предназначены для случаев, когда давление воды в подводящих магистралях недостаточно для нормального функционирования устройств, или когда давление непостоянно в течение суток. Вид компактной установки для небольшого дома представлен на рис. 1, а для систем большего потребления – на рис. 2.

 

Стандартные схемы подключения систем повышения давления с разными типами насосов представлены на рис. 3, где 1 – насос; 2 – обратный клапан; 3 – реле давления; 4 – манометр; 5 – гидроаккумулятор; 6 – пятивыводной штуцер; 7 – шланг в металлооплетке; 8 – всасывающий шланг.

Рис. 3а

Система повышения давления

 

Рис.3б

Система холодного водоснабжения с самовсасывающим насосом

 

Рис. 3в

Система холодного водоснабжения с глубинным насосом

Компенсаторы гидроудара

Как уже было отмечено, в инженерных водопроводных сетях индивидуального дома может возникнуть такое явление, как «гидроудар», или «водяной молот» (water hammer). При резком закрытии или открытии крана, включении насоса и других случаях давление воды в трубопроводах может значительно превышать статическое. Учитывая, что индивидуальный дом всё больше насыщается сложной техникой (стиральные и посудомоечные машины, керамические смесители, бойлеры), необходимо предохранить ее от чрезмерных нагрузок.

На рис. 1 представлен вид компенсаторов гидроудара, а на рис.2 – некоторые случаи их использования. Учитывая, что жидкость практически несжимаема, объемы таких компенсаторов невелики. Мы специально проводим примеры использования компенсаторов гидроудара и некоторые формулы, позволяющие понять, о каких величинах давления идет речь. Необходимо также отметить: в Европе без установки в сети водоснабжения гидрокомпенсаторов гарантии на бытовую технику не обеспечиваются. Это обусловлено тем, что разрабатывать технику, выдерживающую высокое давление, экономически невыгодно. А явление гидроудара существует.