Расширительные баки для открытой и закрытой систем отопления: основы, устройство, расчет объема

Расширительные (компенсационные, мембранные или с баллонном-грушей) емкости, они же гидроакуммуляторы (ГА), пневмобаки, наряду с реле давления являются одними из главных функциональных узлов в системе отопления (особенно с котлами). Без ГА чрезмерное расширение теплоносителя разорвет трубы, гидроудары ускорят износ системы и связанных с ней приборов. Основные задачи пневмобака: компенсировать увеличение объема жидкости при нагреве, обеспечить стабильность напора. Рассмотрим устройство и особенности гидроаккумуляторов для закрытой и открытой системы отопления, а также опишем, как подобрать расширительную емкость по вместимости.

Для чего нужен гидроаккумулятор

Вода при нагреве увеличивается в объеме, а также она расширяется при достижении температуры ниже -4° С. Такое явление характеризуется величиной – коэффициентом, нелинейным показателем, в основном зависящим от t°. Данное значение отображает, во сколько раз растет объем при нагреве/охлаждении на 1°. В сети есть таблицы коэффициентов для жидкостей.

На первый взгляд расширение незначительное, но если взять объемы теплоносителя, характерные для систем отопления, то оно весьма заметное – на 100 л появится 3,5 л избытка при нагреве от +4 до + 90° C. Жидкость не сжимаемая, поэтому в замкнутом объеме она разорвет трубы, так как будет увеличиваться давление. Для закрытой системы это чревато протечками, худший вариант – разрыв труб.

Расширительная емкость предусматривается, чтобы избыток теплоносителя, появившийся в результате нагрева, поступил в нее. Затем в закрытых типах баков при охлаждении мембрана внутри баллона выталкивает этот объем назад, таким образом, давление в системе остается в норме, сохраняется необходимое значение и стабильность напора для результативной, нормальной работы оснащения. Если сосуд открытого типа (ставится на наивысшей отметке магистрали), то жидкость вталкивается назад в систему под своим весом.

Закрытый расширительный бак

Рассмотрим основы по особенностям закрытых гидроаккумуляторов и по алгоритму их работы.

Особенности и параметры

Кратко работу закрытого расширительного сосуда можно отобразить так. При росте температуры теплоноситель увеличивает свой объем, внутренняя гибкая прослойка бака расширяется, принимая его в свою полость (если это груша, баллон) или в сегмент, отделенный ею. А при охлаждении жидкость выдавливается мембраной, так как на нее давит закачанный в корпус ГА воздух.

Итак, закрытые пневмобаки (еще одно название – экспанзоматы), рассчитаны, чтобы компенсировать температурные расширения теплоносителя в системах отопления закрытого типа. Надо сказать, что на автономном холодном/горячем водоснабжении они также используются.

Аппарат состоит из следующего. Корпус из стали с толстым слоем специальной краски с эмалью. Внутри – резиновая мембрана или груша из синтетической (этилен/пропиленовой) резины (EPDM). В полость между стенками и этой прослойкой закачивается воздух. Подкачивать можно обычным ручным или другим насосом, спускать – нажав на ниппель. Внутреннее давление рекомендуется производителем в инструкции, обычно оно около 1,5 бар.

Рабочие температуры 0…+90° C. Надо помнить, что есть и пневмобаки для холодной воды, они синего цвета. Стандартный размер присоединительного патрубка – 1 дюйм (2,5 см), есть также разные диаметры, переходники.

Объем может быть какой угодно, на заказ делают аппараты даже на 500 л, но наиболее распространенным является такой ряд: 5, 8, 12, 19, 24, 36, 50, 80 и 100 л.

Возможная одновременно вертикальная/горизонтальная установка, есть баки и для какого-то конкретного положения (прописывается в ТД).

Подробный принцип работы закрытого пневмобака

Работу ГА закрытого опишем подробнее, так как это, по сравнению с открытыми расширителями, более сложное устройство, а также оно намного распространенное, как и схемы указанного типа. Прибор представляет собой особо герметичный с давлением внутри (одна из главных отличительных особенностей) стальной цилиндр с толстыми стенками, наподобие газового баллона.

Корпус бака (1) – это штампованный бесшовный стальной баллон. Внутри – стенки с антикоррозионным составом, снаружи – защитное эмалевое покрытие. Баллоны красного цвета – для работы с высокими плюсовыми температурами, синие – для холодного теплоносителя.

Корпус снизу по центру снабжается резьбовым патрубком (2) для подсоединения к контуру отопления. Некоторые модели сразу в комплекте имеют и фитинги с накидной гайкой-американкой.

На противоположном конце (сверху) – ниппель (3) стандартной конструкции для спуска и подкачки воздуха (для него можно применить обычный велосипедный насос) до требуемого уровня давления внутри воздушной камеры.

Главная деталь – мембрана (6) или груша, то есть может быть 2 варианта разделения на две камеры:

• эластичной мембраной-перегородкой. Один сегмент подсоединяется патрубком к контуру; второй – воздушный, где накачиваемым воздухом создается определенное давление для выталкивания излишка назад в систему;
• принцип подобный, но вместо мембраны для воды используется резиновая груша-баллон, конец которой присоединен к входному патрубку от трубопровода.

Материал указанных элементов – этилен-пропилен, бутил. Раньше использовался каучук, но от него отказались в силу недолговечности. Мембрана или груша – детали, которые наиболее часто выходят из строя, поэтому они легко земеняемые, такие запчасти можно купить в спецмагазинах.

В нашем примере бак с мембраной, разделяющей внутреннее пространство на сегмент для воды (4) со стороны патрубка от магистрали и на воздушную часть (5) – со стороны ниппеля. Объем данных сегментов можно регулировать накачиванием воздуха в соответствии с потребностями конкретной системы.

Принцип работы подробно:

1. Воздушную камеру подкачивают, чтобы давление было 1…1,5 бар. Под натиском перегородка опускается, водяная часть до наполнения имеет минимальный объем.
2. Система наполнена и запущена. В контуре есть определенное оптимальное давление вталкивающее жидкость внутрь аппарата. Мембрана при этом изгибается, так как объем водяной камеры увеличивается.
3. По мере нагрева рабочая жидкость расширяется. Единственное место для излишка – водяной сегмент ГА, который автоматически принимает его. Объем этого отделения еще больше увеличивается, воздушная часть, соответственно, значительно уменьшается.
4. Одновременно растет давление газа в другой камере, которое при дальнейшем остывании теплоносителя отжимает мембрану и выталкивает его назад в систему. Таким образом, в любой момент держится баланс для оптимального значения давления, причем он регулируется сам по себе согласно предварительно созданному количеству бар закачкой/спуском воздуха пользователем через ниппель.
5. При нештатных ситуациях, когда теплоноситель заполнил ГА и продолжает расширяться, например, при поломке термостатического узла системы, на группе безопасности происходит сработка предохранительного клапана. Излишки стравливаются, равновесие восстанавливается. Некоторые модели ГА имеют интегрированные предохранители.

Принцип моделей с баллонным типом мембраны в виде резиновой груши аналогичный описанному.

Позиция 1 – это эластичный баллон, с краями, герметично зафиксированными на фланце с входным патрубком (2). Эта груша и является сегментом для излишка, все остальное около нее – воздушная часть (3), давление в ней предустанавливается пользователем.

Баки с перегородкой баллонного типа популярнее – в них проще заменить изношенную резиновую камеру из-за фланцевого крепления. Мембранные же модели часто ремонту не подлежат.

Гидроаккумулятор как элемент закрытой магистрали отопления

Отопительная магистраль закрытого типа намного совершеннее. Итак, в ней используется расширительный сосуд – именно гидроаккумулятор, пневмобак – с грушей/мембраной внутри. В агрегат накачивается воздух, чтобы создать определенный натиск для выталкивания жидкости после ее остывания назад в систему. Емкость герметичная с ниппелем, некоторые модели имеют интегрированные воздухоотводчики (ручные, автоматические).

Главные преимущества: компактность, установка в любой локации. Рекомендованное место – на «обратке», близко к насосному узлу. Это традиционное место, но нет особых предубеждений для иного сегмента, где удобно пользователям.

Сосуд герметичный, поэтому давление может расти к большим значениям, что делает обязательной «группу безопасности»: клапана предохранительного, обратного, а иногда добавляется сливной. А также добавляется манометр простой или с термометром (может использоваться пользователем отдельно, то есть быть не интегрированным) и воздухоотводчик.

Единственный минус – невозможность сделать такой бак вручную, его покупают, стоимость узла намного выше, чем для открытых емкостей

Зачастую современное котловое оборудование для отопления изначально комплектуется встроенным или отдельным компенсационным баком уже правильно подобранного объема.

Расширительные емкости в открытой системе отопления

Главная особенность открытой системы труб – контур замкнутый, но не изолированный от атмосферы. Нет герметичности, накопительные баки, другие емкости и элементы могут быть без крышки, с открытым верхом. Поэтому избытка давления там не может быть. Но все равно, чрезмерное расширение возможно, поэтому расширитель требуется, но тут он – это простая емкость, врезанная на контур. Можно приспособить любой основательный сосуд (бидон), сделать его из листов металла с помощью сварки.

Основное требование – бочка должна находиться выше самой высокой отметки оснащения. Обычно ставят таковую на трубе подачи.

Требуется именно высшая точка, иначе теплоноситель, рабочий ресурс просто будет вытекать через такой бак по закону сообщающихся емкостей.

Другой важный нюанс – расположение на наивысшей точке, но с учетом ниже изложенного исключения, делает сосуд отличным воздухоотводчиком. Содержащиеся в воде газы будут выходить беспрепятственно, воздушные пробки, которые способны запереть участки магистрали, радиаторы, пропадут сами по себе. Не надо будет стравливать вручную, ставить для этого дополнительные клапаны.

Иногда открытые пневомбаки врезают на обратку, если есть особые компоновочные или технические соображения. Но в любом случае – на высшую отметку всей системы. Ее можно сделать прокладкой вертикальной трубы к сосуду, но при этом опция воздухоотводчика не будет работать, потребуются клапаны, опять же, на самой возвышенной отметке и именно на подаче.

Конструкция компенсационной емкости в открытой системе может быть элементарной – это любой надежный сосуд, накрытый крышкой (не герметичной, ее можно снимать), которая нужна только для защиты от пыли, мусора. То есть текущее атмосферное давление внутри сосуда сохраняется всегда. На корпус врезано от одного до нескольких патрубков, в зависимости от технических потребностей.

Пневмобаки открытого типа можно прибрести готовыми, но можно и сделать своими руками, так как тут нет мембраны, груши. Не надо обеспечивать герметичность, толщина стенок может быть любой. Чаще корпус состоит из листов оцинкованной, нержавеющей стали, чтобы исключить коррозию.

Открытый ГА можно сварить своими руками из листового металла. Также можно приспособить металлические или пластиковые бочки, канистры, бидоны, б/у газовые баллоны – в этих случаях нужно только врезать патрубки. Самая элементарная схема: просто сделана врезка патрубка на низ для подсоединения к контуру труб.

Схема отлично работает, но есть минус: нет циркуляции через сосуд. При наполнении магистрали добиваются, чтобы объем жидкости в сосуде достигал примерно середины. Колебания теплоносителя в оснащении отражается ростом или падением такого уровня, который надо контролировать. Испарение будет всегда, и если не доливать, то возникает риск воздушных закупорок контура, завоздушивание батарей. Потребуется периодически заглядывать, отслеживать (делают отметки на стенках) и пополнять объем.

Для отслеживания также можно врезать небольшой патрубок на боковую сторону. На него надевают кусок жесткого прозрачного шланга, располагают торчащим концом вверх. Уровень жидкости в таком индикаторе соответствует таковому внутри бака – для оценки достаточно просто посмотреть на приспособление.

Часто открытый бак ставят на чердаке, но придется каждый раз забираться туда, чтобы контролировать емкость. Поэтому комфортность мониторинга можно увеличить. В сети есть много примеров схем.

Патрубки по бокам:

• верхний для перелива. От него проводится резиновая труба в канализацию или со сбросом в грунт;
• к нижнему подсоединена труба, заходящая в помещение, на ней в любом удобном месте расположен стандартный шаровой перекрывающий клапан. Высота такого патрубка – минимально допустимая отметка жидкости в емкости. Чтобы контролировать наполненность, надо лишь приоткрыть кран: если идет вода, то все хорошо, если нет – надо сделать подпитку, пока жидкость не потечет через переливной патрубок.

Вышеописанная схема для забывчивых пользователей не подойдет, но можно сделать автоматизацию: подвести к сосуду водопроводную трубу подпитки. Подключить надо через клапан-поплавок (можно взять из сливочного бачка унитаза).

Переполнение исключит переливной выход (рекомендован всегда), а от чрезмерного падения уровня предохранит описанная система подпитки.

Показанные схемы «пассивные» – сосуд без циркуляции. Задача одна – только создать свободное место для излишка воды при ее расширении.

Есть и минус: опция воздухоотводчика есть, но она не слишком результативная – много пузырьков с потоком воды проскакивают мимо врезки патрубка к компенсационной емкости.

Для создания из сосуда эффективного сепаратора воздуха через него также замыкают циркуляцию воды, элемент становится полноценным звеном на общем контуре кругооборота. Примерный вид:

Теплоноситель в бак подается по трубе 1, через патрубок 2 опят возвращается в магистраль. Резкий рост объема происходит на переходе диаметра трубы на емкость. Этот нюанс инициирует и уменьшение скорость потока, что подгоняет газовые пузырьки, их удаление происходит более интенсивно. Позиция трубы 1 может быть иной – с подводкой снизу. Но всегда вваренный патрубок внутри сосуда должен находиться выше выходного. Труба переливная 3 и подпиточная на таких схемах такие же, как и на приведенных нами выше чертежах – в данном рисунке указано не все, чтобы заострить внимание читателя на главном.

Кругооборот по трубам рассмотренной схемы охлаждает жидкость, поэтому их утепляют, что крайне желательно и для бака во всех случаях, иначе возникнут большие потери тепла, особенно, если емкость находится в неотапливаемом помещении.

Есть примеры, когда на сосуд возлагаются задачи раздающего коллектора, если система собрана по принципу стояков.

Открытый вариант компенсационного сосуда может быть и раздающим коллектором для стояков на сегменте подачи. При такой сборке емкость размещают как можно ближе к геометрическому центру системы или дома, если она охватывает всего его. И уже от такой точки по врезанным линиям осуществляется раздача по стоякам.

Недостатки открытой системы отопления

Емкость в открытой системе уместно называть не гидроаакумулятором (пневмобаком), а именно компенсационным сосудом, так как в нем нет мембраны, груши, не требуется герметичность, не накачивается воздух в баллон-бак.

Открытая магистраль отопления устаревшая, изначально она была создана, потому что закрытых ГА не было. Все же иногда такой вариант целесообразен.

Достоинства:

• простота и дешевизна (именно узла с компенсационным сосудом). Покупается крайний минимум деталей, а то и вообще ничего, если есть подходящая старая емкость (даже пластмассовая) и отрезки труб для патрубков (можно применить пластиковые шланги). Часто делают такое оснащение из подручного хлама;
• априори чрезмерное давление не возникает, что закономерно и логично – система связанная с атмосферой;
• из-за выше указанного не требуется предохранительный клапан;
• способность компенсационной емкости выступать воздухоотводчиком.

Минусы открытой трубной магистрали:

• место для бака определенное – высшая точка системы. Ели там нет утепления, например, на чердаке, то теплоизоляцию потребуется сделать и она должна быть основательной, очень надежной;
• часто приходится пневмобак ставить под потолком, и он может нарушить гармонию интерьера;
• нужен постоянный контроль за количеством воды внутри емкости, что решаемо, мы описали это, но все же есть некоторое уменьшение комфорта;
• постоянное испарение, рабочая жидкость насыщается кислородом, возникает более интенсивная коррозия всей системы. Из-за первого не применяют другие теплоносители, например, антифриз, иначе это было бы слишком расточительно и опасно (испарения могут навредить);
• из-за воды особенно требуется слив, если системой не пользуются зимой в пустом доме;
• вариант невозможен с электродными котлами, основанными на электропроводимости теплоносителя. То есть важен хим. состав, а при бесконтрольном испарении оптимальное соотношение веществ теряется;
• стабильно малое давление не всегда преимущество. Некоторым отопительным приборам требуется для полного раскрытия потенциала высокий напор.

Как подобрать объем гидроаккумулятора

Строгих норм по объему пневмобака нет. Расчет достаточно простой: каждый пользователь без спецзнаний может учесть коэффициент расширения воды (есть в сети), емкость системы, ее температурный режим и простыми расчетами оценить увеличение объема теплоносителя. Дальше выбор бака подгоняют под эти параметры. Но тут есть значительные нюансы, опишем их ниже.

По нашему примеру (в начале статьи) можно было бы сделать заключение, что при нагреве 100 л до +90° C прирост – 3,5 л (3,5%), то есть позволительно исходить из нормы 5% от емкости системы. Но при практичном применении оказывается, что этого мало, поскольку:

• обязательный минимум для сосуда – заполнение на четверть своей высоты, чтобы оснащение не хапнуло воздух и чтобы не возникли пробки;
• затем предусматривают «переменный» объем – именно для возникающего при расширении излишка. Около верхней границы (можно не точно) врезают переливной патрубок;
• выше уровня жидкости до накрывки обязательно должно быть свободное место.

Для каждого теплоносителя есть свой коэффициент расширения, например, для смесей с гликолем.

Итак, мы видим, что в 5% никак не вложиться. Исходя из опыта, мастера всегда советуют такое соотношение: объем сосуда ≈ 10% таковому всей системы. Плюс на всякий случай 5 – 10% резерва.

Как найти объем самой системы:

• если сборка готова – измерить количество по водомеру при заполнении оснащения. Но есть минус: обычно объем рассчитывается предварительно, не после установки контуров;
• принимаем 15 л на 1 кВт мощности котла. Но этот метод со значительными погрешностями;
• просчитать объемы всех элементов. Способ дает высокую точность. Надо узнать, сколько вмещает определенный отрезок трубы – залить жидкость в эталонный сегмент, вылить в мерную чашку, далее – вычислить, учитывая длину магистрали. Затем – тот же способ или проще – посмотреть в техдокументации, сколько вмещают радиаторы и котел. Дальше суммируют цифры;
• облегчить исчисления можно с помощью онлайн-калькуляторов в сети. Этот метод предпочтительный, так как наиболее точный, что позволит не переплачивать, когда систему заполняют дорогим антифризом или специальным теплоносителем.

Важный нюанс

Если расчеты делаются для определения оптимального объема гидроаккумулятора, то сам он не берется во внимание в исчислении (в онлайн-калькуляторах надо выставлять «0» на соответствующей графе).

Формула для вычисления объема

Уравнение для определения нужного объема следующее:

Vб = Vс × k / D

• Vб — минимум искомого объем сосуда;
• Vс — общий объем контура;
• k – коэфф. термического расширения используемой рабочей жидкости. Для воды и антифриза значение разное, в последнем случае даже для разных марок вещества величины разняться, так как отличается количество гликолевых добавок. Величина должна прописываться в техдокументации
• D – коэфф. эффективности расширительного сосуда.

D определяется по уравнению:

D = (Qm – Qб) / (Qm + 1)

• Qm — макс. допустимого давления на контуре. Это именно значение, под которое настраивают усилие для сработки предохранительного клапана;
• Qб — давление в воздушном сегменте емкости. Если бак изначально с таковым – часто производитель уже допускает к продаже аппараты со стандартными 1,5 бар, – то величина прописана в паспорте. Впрочем, нужное значение можно создать всегда обычным автомобильным насосом, проконтролировать его манометром.