Zapewnienie pracy instalacji w odpowiednim, optymalnym zakresie ciśnień gwarantuje, że uniknąć możemy takich zjawisk jak nieuzasadnione otwieranie się zaworu bezpieczeństwa i związana z tym utrata wody z instalacji. Utrata wody powoduje konieczność jej uzupełniania, a podczas uzupełniania dostarczany jest do instalacji tlen powodujący korozje. Wiele szczelnych instalacji ma poważne problemy z korozją spowodowane wyłącznie tlenem z wody uzupełniającej. Z drugiej strony brak uzupełniania w porę, po utracie wody, może doprowadzić do sytuacji, że w instalacji jest za mało wody, spada ciśnienie w najwyższym punkcie instalacji i instalacja zasysa powietrze atmosferyczne z ogromnymi ilościami tlenu, co prowadzić może do jeszcze większej korozji. Dlatego pragniemy zwrócić uwagę, że odpowiedni dobór naczynia rozszerzalnościowego może zabezpieczyć instalację przed powyższymi niepożądanymi zjawiskami. Nasze wskazówki oprzemy na wytycznych normy europejskiej EN 12828, która jest już wprawdzie przetłumaczona na język polski, ale niestety nie jest jeszcze normą obowiązującą. Nie oznacza to jednak, że nie możemy korzystać z jej założeń, szczególnie, że nie są one sprzeczne z obowiązującą normą polską.
Dobór naczyń wzbiorczych
Dobór naczyń rozszerzalnościowych do instalacji grzewczych wg normy EN 12828
Poniższy artykuł wskazuje na istotne założenia normy EN 12828 dot. doboru naczyń rozszerzalnościowych do instalacji grzewczych, które mają kluczowy wpływ na prawidłową pracę całej instalacji.
Norma europejska EN 12828 w rozdziale 4.6.2.4 „Naczynia rozszerzalnościowe” stwierdza między innymi:
„Naczynia rozszerzalnościowe muszą być w stanie przejąć przynajmniej maksymalną objętość powstałą w wyniku rozszerzenia wody w instalacji łącznie z rezerwą wody. [...]
Inaczej, objętość użytkowa to:
Objętość powstała w wyniku rozszerzenia Ve obliczana jest jako:
Gdzie:
współczynnik e określa rozszerzalność wody w % w zależności od temperatury, zgodnie z tabelą D.2., załącznik D. Objętość VA to całkowita objętość instalacji. Jeśli dokładna objętość nie jest znana, można wyznaczyć jej przybliżoną wartość na podstawie mocy instalacji oraz
Gdzie:
współczynnik vA określa średnia objętość wodną na kW w funkcji typu odbiornika oraz temperatury. Współczynniki takie określone są tabelaryczne.
Rezerwa wody VWR jest minimalną ilością wody, jaką powinno mieć w sobie naczynie, aby zawsze być w stanie wyrównać ewentualne straty wody oraz aby ciśnienie poduszki gazowej zawsze przenosiło się na instalację.
Zgodnie z dodatkiem D.2 „Obliczenie wielkości naczynia rozszerzalnościowego”
„(...] Naczynia rozszerzalnościowe o pojemności poniżej 15 litrów powinny posiadać przynajmniej 20% swojej objętości jako rezerwę, naczynia o objętości powyżej 15 litrów powinny posiadać rezerwę przynajmniej w wielkości 0,5% objętości całej instalacji, jednak nie mniej niż 3 litry. (...]”
Rezerwa wody
Dalej norma mówi:
„Naczynie rozszerzalnościowe oraz rura przyłączeniowa muszą:
być dobrane w taki sposób, aby wzrost temperatury do maksymalnej temperatury roboczej mógł spowodować tylko taki wzrost ciśnienia, przy którym nie zadziałają jeszcze ograniczniki ciśnienia ani zawory bezpieczeństwa
być zabudowane w pomieszczeniach zabezpieczonych przed mrozem lub zabezpieczone przed zamarznięciem”
Powyższe stwierdzenie wyraźnie wskazuje, że to naczynie rozszerzalnościowe odpowiedzialne jest za ograniczenie maksymalnego ciśnienia roboczego oraz że ciśnienie to musi być niższe od ciśnienia zadziałania ograniczników oraz zaworów bezpieczeństwa.
We wskazówkach doborowych, załącznik D.1. d), norma mówi, że obliczeniowe ciśnienie końcowe w instalacji pe nie powinno być wyżej dobierane, niż ciśnienie zaworu bezpieczeństwa pomniejszone o histerezę zamknięcia zaworu bezpieczeństwa – zwykle 10%.
Jeśli nie jesteśmy pewni, czy zawór bezpieczeństwa po otwarciu zamknie się przy ciśnieniu PSV * 0,9 , powinniśmy przyjąć odpowiednio niższą wartość, zgodnie z parametrami zaworu. Na ogół zawory zamykają się w granicach 15% do 20%, stąd przyjęcie PSV * 0,8 jest absolutnie wystarczające. Jednak dla pewności dla małych ciśnień (do 5 bar) norma zaleca stosowanie 0,5 bar zapasu zgodnie z
Obliczenie minimalne objętości naczynia rozszerzalnościowego
Znając sumaryczną ilość wody, jaka musi zmieścić się w naczyniu oraz ograniczone przez nas ciśnienie końcowe (maksymalne) można wyznaczyć minimalną wymaganą objętość naczynia rozszerzalnościowego:
Gdzie P0 = Pst + 0,3bar jest ciśnieniem poduszki gazowej w naczyniu lub inaczej minimalnym ciśnieniem, jakie może panować w instalacji (zgodnie z D.1 c))
Aby naczynie podczas pierwszego napełniania instalacji zostało wypełnione obliczoną rezerwą wody, instalację należy napełnić powyżej minimalnego ciśnienia początkowego Pa
Oczywiście teoretycznie, ponieważ w praktyce na podstawie obliczonej minimalnej objętości naczynia, dobieramy większe naczynie z typoszeregu dostępnych objętości. Po dobraniu większego naczynia możemy sprawdzić realną rezerwę wody, która w rzeczywistym, większym naczyniu, będzie proporcjonalnie większa:
Aby w większym naczyniu przy napełnianiu instalacji znalazła się większa, rzeczywista rezerwa wody, należy napełnić instalację wyższym ciśnieniem początkowym.
Efektywność wykorzystania naczynia
We wzorze na dobór naczynia rozszerzalnościowego pojawia się ułamek
Jest to tzw. współczynnik ciśnieniowy naczynia, zależny wyłącznie od wysokości statycznej instalacji (poprzez P0) oraz przyjętego przez nas maksymalnego ciśnienie roboczego Pe . Jest to wartość liczbowa, która wprost mówi o tym, o ile razy większe musi być naczynie rozszerzalnościowe od maksymalnej ilości wody jaka ma być w nim magazynowana – czyli objętości użytkowej.
Efektywność naczynia rozszerzalnościowego określa jaka część jego objętości jest przeznaczona na magazynowanie wody z instalacji, a jaka zawiera zawsze poduszkę powietrzną.
Wracając do wcześniejszych wskazówek dotyczących ograniczenia ciśnienia końcowego (maksymalnego) w instalacji, przez przyjęcie pewnego zapasu na histerezę zamknięcia się zaworu bezpieczeństwa, widać, że zmniejszenie wartości Pe powoduje, że współczynnik ciśnieniowy rośnie, a tym samym rośnie objętość naczynia rozszerzalnościowego. Ten sam efekt zauważymy, jeżeli zwiększy się wysokość statyczna instalacji, czyli mamy do czynienia z wysokim budynkiem. Inaczej mówiąc im wyższa instalacja lub/i im niższe maksymalne ciśnienie końcowe, z jakim chcemy pracować, tym większy współczynnik ciśnieniowy a tym samym naczynie, a mniejsza efektywność jego wykorzystania. Stąd też częste próby zmniejszenia współczynnika ciśnieniowego przez zwiększenie ciśnienia otwarcia zaworu bezpieczeństwa. Należy jednak pamiętać, że zwiększamy w ten sposób maksymalne ciśnienie robocze całej instalacji, co ma wpływ na straty przepływu - pozorna oszczędność na zakupie mniejszego naczynia rozszerzalnościowego, może okazać się znikoma w stosunku do wyższych kosztów eksploatacji pomp.
Przykład:
Dobór naczynia dla instalacji o parametrach
- Moc zainstalowana Q = 1250 kW
- Pojemność instalacji VA = 12625 I
- Temperatury pracy: 80/60°C
- Zawór bezpieczeństwa: 3 bar
- Wysokość statyczna: 12m
Obliczenie objętości użytkowej (do magazynowania w naczyniu)
- Współczynnik rozszerzalności wody dla 80°C e = 0,0287
- Objętość rozszerzona Ve = e *VA = 0,0287 * 12625 = 362l
- Rezerwa wody VWR = 0,5% * VA ≥ 3litry = 0,005 * 362 = 63,125l
Obliczenie współczynnika ciśnieniowego
Ciśnienie poduszki gazowej (minimalne)
Ciśnienie końcowe (maksymalne)
Współczynnik ciśnieniowy
Obliczenie minimalnej pojemności naczynia
Dobrano naczynie o rzeczywistej pojemności 1500 litrów. Efektywność wykorzystania naczynia wynosi:
Z powyższego wynika, że w dobranym naczyniu o objętości 1500 litrów, tylko 28% będzie stanowić woda z instalacji oraz rezerwa, pozostałe 72% zawsze będzie przeznaczone na poduszkę powietrzną.
Podsumowuąc, dobór naczynia rozszerzalnościowego zgodnie z EN 12828 zapewnia pracę instalacji w optymalnym dla niej zakresie ciśnień, co pokazane jest na poniższym rysunku z lewej. Instalacja pracuje z dala od ciśnienia przy którym niepotrzebnie otwierałby się zawór bezpieczeństwa. Zakres pracy instalacji można też przedstawić na wykresie w zależności od temperatury roboczej. Wyglądałby on mniej więcej jak na poniższym rysunku z prawej.
Po doborze rzeczywistego naczynia pamiętać należy, aby w projekcie umieścić informację o obliczonym minimalnym ciśnieniu napełnienia instalacji, ponieważ tylko ono gwarantuje, że naczynie będzie wypełnione rezerwą wody jeszcze przed uruchomieniem instalacji. Dla uproszczenia, w instalacjach grzewczych można przyjąć pa ≥ p0 + 0,3bar.
W kolejnym artykule pokażemy jak zwiększyć efektywność naczynia rozszerzalnościowego, a tym samym zwiększyć efektywność układu do niemal 100%.