Izplešanās tvertnes tilpuma un pretspiediena noteikšana

Autors: Akvedukts - darba versija, nav publicējama

Šajā rakstā sniedzam informāciju par slēgtas apkures sistēmas izplešanās tvertnes pretspiediena noteikšanu un tilpuma aprēķinu, kā arī, apkures sistēmas spiediena noteikšanu. Izplešanās tvertne apkures sistēmā ir nepieciešama, lai kompensētu siltumnesēja tilpuma izmaiņas, kas rodas temperatūras svārstību ietekmē. Tvertnes pareiza tilpuma un gaisa pretspiediena noteikšana nodrošina gan pašas izplešanās tvertnes ilgmūžību, gan apkures sistēmas un tās aprīkojuma darbības efektivitāti un drošumu. Izplešanās tvertņu parametru noteikšana aprakstīta arī standarta LVS EN 12828+A1:2014 "Ēku apsildes sistēmas. Ūdensapsildes sistēmu projektēšana", D pielikumā "Vadlīnijas diafragmas izplešanās tvertņu  (slēgtas sistēmas) aprēķināšanai".

Spiediena apzīmējumi

Turpmāk tekstā būs norādes uz relatīvo spiedienu, absolūto spiedienu un hidrostatisko spiedienu, tādēļ jau sākumā noskaidrosim, kas ir kas. Relatīvais spiediens ir tas, ko mēra ar manometru, tiek saukts arī par manometrisko spiedienu. Absolūtais spiediens ir relatīvā spiediena un atmosfēras spiediena summa – to aprēķina, ja relatīvajam spiedienam (bar) pieskaita 1 bar atmosfēras spiedienu. Hidrostatiskais (statiskais) spiediens ir spiediens, ko šķidrums rada uz trauka sienām un dibenu.  Apkures sistēmas zemākajā punktā statiskais spiediens ir vienāds ar šīs sistēmas kopējo augstumu (1.attēls, P_ST). Jo augstāk apkures sistēmā izvietots kāds no tās elementiem, jo mazāks statiskais spiediens iedarbojas uz šo sistēmas elementu. Tāpat ņemam vērā, ka spiediena augstums 10m (ūdens staba augstums) ir vienāds ar 1bar.

Izplešanās tvertnes izvietojuma ietekme uz tās tilpumu un pretspiedienu

Lai iiegūtu augstāko efektivitāti un darbības drošību, izplešanās tvertni vienmēr ieteicams uzstādīt apkures sistēmas zemākajā punktā, atplūdes līnijā, pirms sūkņa (sūkņa uzsūkšanas pusē), tad uz to maksimāli iedarbojas sistēmas statiskais spiediens un būs sabalensēta tvertnes un sūkņa iedarbība uz sistēmu. Uzstādot tvertni aiz cirkulācijas sūkņa, tvertnes pretspiediena un sistēmas spiediena aprēķinā jāietver sūkņa radītā spiediena ietekme, pretējā gadījumā var tikt radīta kavitācija, apkures sistēmā radīsies trokšņi un tiks negatīvi ietekmēti sistēmas savienojumi, aprīkojums un sūknis. Te der atgādināt, ka cirkulācijas sūkņa darba spiediens nodrošina nevis ūdens pacelšanu apkures sistēmas augstumā, bet gan spiediena zudumu pārvarēšanu, kas rodas apkures šķidrumam plūstot pa apkures cauruļvadu loku.

Ja izplešanās tvertne tiek izvietota apkures sitēmas augšējā punktā, uz to nebūs statiskā spiediena iedarbības, tātad sistēmā spiediens būs jāpalielina jau tikai tādēļ vien, lai nodrošinātu izplešanās tvertnes minimālās prasības, savukārt uz pārējiem sistēmas elementiem papildus darbosies statiskais spiediens. Šādā situācijā izplešanās tvertne, visticamāk, atradīsies aiz cirkulācijas sūkņa, ar ko iestājas vesela virkne nosacījumu, kas izplešanās tvertnes tilpuma un pretspiediena izvēli padara par sarežģītu uzdevumu, ko ieteicams izvērtēt kopā ar apkures speciālistu.

Izplešanās tvertnes tilpumu ietekmē spiediena starpība starp apkures sistēmas spiedienu, kāds tas ir uzpildes brīdī un maksimālo spiedienu. Ja sistēmas maksimālais spiediens ir zems, taču darba spiedienu dažādu iemeslu dēļ mākslīgi jāpalielina, spiediena starpība samazināsies un būs jākompensē ar izplešanās tvertnes tilpuma palielinājumu. Tātad, izplešanās tvertnes atrašanās vieta apkures sistēmā var ietekmēt tās tlpumu un gaisa pretspiedienu tvertnē. 

Kādam gaisa spiedienam, jeb pretspiedienam jābūt izplešanās tvertnē?

Izplešanās tvertnes pretspiedienam P_P ieteicams būt vismaz 1 bar un tam jābūt par vismaz 0,3 bar zemākam nekā atdzisušas apkures sistēmas spiedienam P_D izplešanās tvertnes pieslēguma punktā. Svarīgi saprast, ka aprēķinu ceļā vispirms nosaka izplešanās tvertnes pretspiedienu P_P, tad tvertnes tilpumu un tikai pēc tam nosaka apkures sistēmas spiedienu. Zemās apkures sitēmās, kur uz izplešanās tvertni iedarbojas mazs statiskais spiediens, vai arī apkures sistēmās, kurās izplešanās tvertne izvietota sistēmas augšējā punktā (3.attēls), pretspiediens tvertnē var būt zemāks par 1 bar, bet ne zemāks par 0,5 bar.

Kādam jābūt spiedienam apkures sistēmā?

Lai kāds nebūtu sistēmas statiskais spiediens, apkures sistēmas aprēķina spiedienam P_S jābūt vismaz 0,2 bar lielākam par statisko spiedienu un ne mazākam par 1 bar. Norādītie papildus vismaz 0.2 bar ir tvaika spiediens p_t, un dažādos literatūras avotos vai tehniskajos noteikumos tas var būt norādīts 0.2 bar - 0.5 bar robežās. Sistēmas aprēķina spiedienu P_S izmanto izplešanās tvertnes aprēķinā, taču apkures sistēmas sākotnējo spiedienu P_D nosaka tikai pēc izplešanās tvertnes aprēķinu veikšanas. Piemēri spiediena P_S noteikšanai, ja p_t tiek pieņemts kā 0.2 bar:

1. Ja statiskais spiediens P_ST ir 3.5 m (0.35 bar), tad spiediens P_S būs 1 bar, kas ir vairāk nekā prasītie 0.2 bar (jeb 2 m) augstāks nekā statiskais spiediens (augstāks par 6.5 m, jeb 0.65 bar)
2. Ja statiskais spiediens ir 9 m, tad spiediens P_S vairs nevar būt 1 bar, jo netiek nodrošināta prasība, ka P_S ≥ P_ST + 0.2 bar, tādēļ tas būs jāaprēķina P_S = P_ST + p_t = 0.9 + 0.2 = 1.1 bar
3. Ja statiskais spiediens ir 12 m (1.2 bar), tad P_S = P_ST + p_t = 1.2 + 0.2 = 1.4 bar

Ja izplešanās tvertne nav izvietota cirkulācijas sūkņa uzsūkšanas pusē, bet padeves līnijā (nav ieteicams), tad P_S aprēķinā jāiekļauj arī sūkņa spiediens p_p izplešanās trauka pieslēguma vietā (sūkņa darba spiediens mīnus spiediena zudumi līnijā no sūkņa līdz tvertnes pieslēguma vietai), jeb P_S = P_ST + p_t + p_p

Spiedienam apkures sistēmā jānodrošina gan apkures sistēmas darbība (atgaisošanas process, u.c.), gan rezerves ūdens daudzuma V_R nodrošināšana izplešanās tvertnē, tādēļ reālajam sākotnējam apkures sistēmas spiedienam P_D jābūt vismaz 0.3 bar lielākam nekā P_S., jeb P_D ≥ P_S + 0.3 bar.

1.attēls. 1.attēls Apkures sistēmas shēma, izplešanās tvertne atrodas zemāk par drošības ventili (šeit un turpmāk attēlos: 1 – apkures katls, 2 – drošības ventilis, 3 – izplešanās tvertne, 4 – apkures cirkulācijas sūknis, 5 – pretvārsts, 6 – atgaisotājs, 7 – lodveida krāns, 8 – termometrs, 9 – manometrs, 10 – radiators, 11 – kanalizācija/drenāža); apsaistes elementu izvietojums sistēmā ilustratīvs

Maksimālais apkures sistēmas spiediens ir vienāds ar maksimālo spiedienu tam sistēmas elementam, kam šis rādītājs ir viszemākais (kuram zemākais maksimālais spiediens, tas visvājākais punkts). Apkures sistēmas drošības ventilis tiek izvēlēts, pamatojoties uz sistēmas vājāko elementu. Aprēķinos maksimālais apkures sistēmas spiediens P_E būs vienāds ar spiedienu, pie kura nostrādās drošības ventilis. Izplešanās tvertnes tilpuma aprēķinam maksimālo apkures sistēmas spiedienu P_E precizē atkarībā no izplešanās tvertnes un drošības ventiļa savstarpējā izvietojuma – spiediens P_E tiek palielināts par hidrostatiskā spiediena Δp vērtību, ja drošības ventilis izvietots augstāk nekā izplešanās tvertne (1.attēls), vai attiecīgi samazināts, ja tas izvietots zemāk nekā izplešanās tvertne (3.attēls). Tāpat, izplešanās tvertnes tilpuma aprēķinos P_E dažkārt mēdz pieņemt par 5 – 10% zemāku, nekā apkures sistēmas maksimālais spiediens, taču tas ir izvēles jautājums, nevis obligāta prasība. 

2.attēls. Apkures sistēmas shēma, izplešanās tvertne atrodas vienā līmenī ar drošības ventili

3.attēls Apkures sistēmas shēma, izplešanās tvertne atrodas augstākajā punktā un augstāk par drošības ventili

Kā noteikt gaisa spiedienu, jeb pretspiedienu izplešanās tvertnē?

Izplešanās tvertnes pretspiedienu P_P izvēlas tādu pašu, kāds ir sistēmas aprēķina spiediens P_S. Ņemot vērā, ka ieteicamais apkures sistēmas aprēķina spiediens P_S ir vismaz 1,0 bar, arī izplešanās tvertnes pretspiedienam P_P jābūt atbilstoši vismaz 1,0 bar. Jāatceras, ka apkures sistēmas reālais sākotnējais spiediens P_D būs vismaz 0.3 bar augstāks nekā P_S. No tā P_P ≤ P_D – 0.3 bar, jeb, izplešanās tvertnes pretspiedienam jābūt vismaz 0.3 bar mazākam nekā apkures sistēmas sākotnējam spiedienam. 

Kā noteikt nepieciešamo izplešanās trauka tilpumu?

Izplešanās tvertnes tilpuma noteikšanai jāzina precīzs apkures sistēmas tilpums, t.i., siltumnesēja kopējais daudzums apkures katlā, radiatoros, cauruļvados un pārējos apkures sistēmas elementos. Siltumnesējs apkures sistēmā, uzsilstot maina tilpumu – izplešas, tādēļ, lai mazinātu slodzi uz apkures sistēmas aprīkojumu, uzstāda tvertni, kurā šis liekais siltumnesēja daudzums uzkrājas. Apjomu, par kuru palielinās siltumnesēja tilpums, sauc par izplešanās tilpumu V_E, savukārt tvertni, kurā šīs papildu siltumnesēja daudzums uzkrājas – par izplešanās tvertni. 

Izplešanās tilpumu aprēķina: 

kur

V_E          izplešanās tilpums, litri

V₀        siltumnesēja kopējais tilpums sistēmā, litri

k_f         siltumnesēja izplešanās koeficients maksimālās pieļaujamās temperatūras gadījumā, % (Tabula 1)

k_i          siltumnesēja izplešanās koeficients sistēmas sākuma temperatūras gadījumā, % (skat. Tabulu 1); ja nav zināms, tad sākuma temperatūru pieņem 10°C.

Tabula 1. Siltumnesēja izplešanās koeficienta vērtības atkarībā no siltumnesēja koncentrācijas un temperatūras.

Informācija par koncentrācijai atbilstoša apkures siltumnesēja sagatavošanu atrodama mūsu rakstā Apkures siltumnesēja koncentrācija

 

Papildus termiskās izplešanās rezultātā iegūtajam ūdens tilpumam izplešanās tvertnē jābūt minimālai ūdens rezervei V_R, lai kompensētu iespējamos ūdens zudumus sistēmā. Praksē to mēdz pieņemt robežās no 10% līdz 30% no tvertnes tilpuma. Standarta prasības nosaka, ka Izplešanās tvertnē ar nominālo tilpumu līdz 15 I ūdens rezervei jābūt vismaz 20 % no šī tilpuma, savukārt izplešanās tvertnēs ar nominālo tilpumu, kas lielāks par 15 I, ūdens rezervei jābūt vismaz 0.5 % no kopējā sistēmas tilpuma, bet ne mazāk par 3 I.

Aprēķina formula izplešanās tvertnes tilpuma noteikšanai, lai nodrošinātu termiskās izplešanās ietekmi, ir

kur

V_term    izplešanās tvertnes aprēķina tilpums, ja aprēķinā iekļauta tikai termiskā izplešanās, litri

V_E        izplešanās tilpums, litri

P₁        absolūtais gaisa pretspiediens izplešanās tvertnē, bar (P₁ = P_P + 1)

P₂        absolūtais sistēmas drošības ventiļa spiediens, bar (P₂ = P_E + 1 ± Δp). Šo spiedienu maina atkarībā no drošības ventiļa izvietojuma virs vai zem izplešanās tvertnes – spiediens tiek samazināts par hidrostatiskā spiediena vērtību Δp, ja drošības ventilis izvietots zemāk nekā izplešanās tvertne, vai attiecīgi palielināts, ja tas izvietots augstāk nekā izplešanās tvertne. Δp netiek ņemts vērā, ja izplešanās tvertne un drošības ventilis izvietoti vienā augstumā (2.attēls).

Pēc aprēķinātās V_term vērtības (litri), nosaka nepieciešamo ūdens rezerves tilpumu V_R. Ja V_term < 15 litri, tad V_R ir 20% no V_term. Ja V_term ≥ 15 litri, tad V_R vienāds ar 0.5% no V₀, bet ne mazāk par 3 litri. Kad noskaidrota V_R vērtība, atkārto iepriekšējo aprēķinu, pievienojot V_R vērtību, lai noteiktu minimālo nepieciešamo tilpumu izplešanās tvertnei:

kur

V_min        izplešanās tvertnes aprēķina tilpums, litri

V_R           rezerves kompensācijas tilpums izplešanās tvertnē, ltri

Noteiktais izplešanās tvertnes aprēķina tilpums V_min ne vienmēr sakritīs ar ražotāju piedāvāto tvertņu standarta tilpumu. Pēc aprēķina veikšanas apkures sistēmai izvēlas tvertni ar tuvāko tilpumu (izplešanās tvertnes tilpums V_TV), kas lielāks nekā noteiktais aprēķina tilpums V_min.

Kad izvēlētais izplešanās tvertnes tilpums V_TV ir zināms, tad nosaka apkures sistēmas reālo sākotnējo spiedienu P_D (bar), kas nepieciešams, lai izplešanās tvertnē nodrošinātu arī rezerves siltumnesēja daudzumu V_R:

Aprēķinātajam P_D jābūt vismaz 0.3 bar augstākam nekā izplešanās tvertnes pretspiedienam P_P. Ja tas neizpildās, jāizvēlas izplešanās tvertni ar pakāpi augstāku tilpumu V_TV un jāatkārto aprēķins, līdz nosacījums P_D ≥ P_P + 0.3 bar tiek izpildīts.

Apkures sistēmas sākotnējam spiedienam jābūt vienādam ar aprēķināto P_D. 

Izplešanās tvertnes tilpuma aprēķina piemērs

Sistēmas kopējais tilpums ir 500 litri. Kopējais sistēmas augstums ir 6 metri. Maksimālā apkures sistēmas temperatūra ir 70°C, bet minimālā temperatūra 15°C. Drošības ventiļa nostrādes spiediens ir 5 bar (manometriskais spiediens). Drošības ventilis izvietots 3 m zemāk nekā izplešanās tvertne. Siltumnesējs ir ūdens ar 10% pretaizsalšanas koncentrāta piejaukumu.

V₀ = 500 l
T_f = 70°C
T_i = 15°C
P_E = 5 bar

Kopējais sistēmas augstums ir 6 metri (P_ST = 0,6 bar), tādēļ sistēmas spiediens P_S tiks paaugstināts uz 1.0 bar. Attiecīgi, arī izplešanās tvertnes pretspiediens P_P tiks izvēlēts 1 bar. Drošības ventilis izvietots par 3 m zemāk nekā izplešanās tvertne, tādēļ P_E koriģēsim par šo spiediena starpību 5 bar – 0.3 bar = 4,7 bar. Jāatceras, ka šīs ir relatīvā spiediena vērtības, bet aprēķinos tiek izmantots absolūtais spiediens. No tabulas atrodam izplešanās koeficientu k_f un k_i vērtības atbilstošajām T_f un T_i vērtībām 10% siltumnesēja šķīdumam – tās ir attiecīgi 2.6% un 0.43%. Koeficientu noteikšanai starp tabulā norādītajām vērtībām, atļauts izmantot interpolācijas metodi. Ievietojam vērtības formulās un veicam aprēķinus:

Aprēķinātais V_term ir lielāks par 15 litriem, tādēļ rezerves kompensācijas tilpumu V_R noteiksim, kā 0.5% no sistēmas kopējā tilpuma 500 l, tas ir 2.5 litri. Ir noteiks, ka šī vērtība nedrīkst būt mazāka par 3 litriem, tādēļ V_R = 3 litri. Atkārtosim tvertnes aprēķinu, ietverot šo vērtību:

Izvēlamies rūpnieciski ražotu tvertni ar tuvāko tilpumu, kas lielāks nekā V_min, tas ir 24 litri (V_TV = 24 l).

Nosakām apkures sistēmas sākotnējo spiedienu P_D un pārbaudām, vai izpildās nosacījums P_D ≥ P_P + 0.3 bar

Nosacījums, kas apkures sistēmas darba spiediens ir vismaz 0.3 bar augstāks nekā izplešanas tvertnes pretspiediens izpildās. Piemērā norādītās sistēmas sākotnējam spiedienam jābūt 1.5 bar, izplešanās tvertnes tilpumam 24 litri un izplešanās tvertnes pretspiedienam jābūt 1 bar.

Izplešanās tvertnes apkope

Svarīgi apzināties, ka apkures sistēmas pareizai ekspluatācijai nepieciešams noteikt ne tikai pareizu izplešanās tvertnes tilpumu, bet arī visā sistēmas ekspluatācijas laikā izplešanās tvertnē nodrošināt nepieciešamo pretspiedienu. Rakstā skaidrojām, ka izplešanās tvertnes pretspiediens ir tieši atkarīgs no sistēmas spiediena, tādēļ apkures sistēmas ekspluatācijas laikā nepieciešams sekot abiem šiem rādītājiem un to savstarpējai atbilstībai. Lai ērtāk varētu noteikt izplešanās tvertnes gaisa pretspiedienu, jau apkures sistēmas izbūves laikā jāparedz iespēja izplešanās tvertni atslēgt no apkures sistēmas un izlaist no tās apkures sistēmas ūdeni. Tam tiek piedāvāti rūpnieciski izgatavoti savienotājelementi (piem., 203008, 1990281). Tikai tad, kad izplešanās tvertnē nav spiediena ietekme no apkures sistēmas, ar automašīnas riepu manometru pārbauda gaisa spiedienu izplešanās tvertnē. Nepieciešamības gadījumā spiedienu palielina ar rokas pumpi vai kompresoru. Pārbaudi obligāti nepieciešams veikt apkures sezonas sākumā, taču arī periodiska pārbaude apkures sezonas laikā garantēs savlaicīgu izvairīšanos no problēmsituācijām. Pašām tvertnēm apkope nav jāveic, un arī nav iespējama, jo membrāna tvertnē iestrādāta rūpnieciski un nav nomaināma.

Izplešanās tvertnes Akvedukts sortimentā

Jau vairākus gadu desmitus Akvedukts piedāvā Itālijas ražotāja ELBI izplešanās tvertnes (ER, ERCE, ERP), kas sevi pierādījušas ar kvalitatīvo izpildījumu, atbilstību augstajām drošības prasībām un ievērojamu kalpošanas laiku. Tās tiek uzstādītas gan privātmāju apkures sistēmās, gan centralizēto apkures sistēmu siltummezglos. Lielisku atzinību no lietotājiem guvušas arī šī ražotāja multifunkcionālās tvertnes DP un DPV, kas izmantojamas gan kā spiedtvertne ūdens apgādes sistēmās, gan kā izplešanās tvertne apkures sistēmās – pateicoties īpašajam tehnoloģiskajam risinājumam, ražotājs šim izstrādājumam sniedz 5 gadu garantiju. ASV ražotājs GWS piedāvā poliuretāna izplešanās tvertnes HWB (HeatWave™) ar paaugstinātu drošību pret gaisa pretspiediena izmaiņām tvertnē visā ekspluatācijas laikā. Šie un dažādi citi izplešanās tvertņu modeļi apkures un saules sistēmām pieejami Akvedukts noliktavā un tirdzniecības vietās.

Izplešanās tvertne ir sastāvdaļa sistēmai ar paaugstinātu bīstamību, tādēļ jebkurai tvertnei ar tilpumu virs 24 litriem jāatbilst spiedieniekārtu direktīvas prasībām, kas nozīmē rūpīgu ražošanas procesa un gala izstrādājumu uzraudzību, ko veic sertificēta trešās puses organizācija.  Atbilstību šīm prasībām apliecina spiedtvertņu marķējums ar CE zīmi. Akvedukts piedāvā tikai un vienīgi spiedieniekārtu direktīvai atbilstošas spiedtvertnes un izplešanās tvertnes.