Розширювальний бак: тиск, розрахунок та несправності

В сучасних інженерних системах опалення, водопостачання та кондиціонування, де циркулює рідина, одним з ключових елементів, що забезпечує стабільність, безпеку та ефективність, є розширювальний бак. Цей пристрій, хоч і здається простим, відіграє критично важливу роль у компенсації об’ємних змін теплоносія, що виникають внаслідок температурних коливань. Без належного функціонування розширювального бака, система стає вразливою до надмірного тиску, гідроударів, пошкодження обладнання та скорочення терміну його служби. Розуміння принципів роботи, правильного розрахунку та своєчасного виявлення несправностей розширювального бака є невід’ємною частиною експлуатації будь-якої закритої рідинної системи.

Принцип роботи та типи розширювальних баків

Основою функціонування розширювального бака є фізичний закон теплового розширення рідин. Вода, як і більшість рідин, збільшує свій об’єм при нагріванні і зменшує при охолодженні. Наприклад, 100 літрів води, нагріті від 10°C до 80°C, збільшать свій об’єм приблизно на 3 літри. У закритій системі без компенсатора, це розширення призвело б до різкого зростання тиску, що потенційно може спричинити спрацювання запобіжних клапанів або навіть руйнування компонентів системи. Розширювальний бак виконує функцію “буфера”, приймаючи надлишковий об’єм теплоносія при його розширенні та повертаючи його назад у систему при охолодженні та стисненні.

Історично використовувалися відкриті розширювальні баки, які встановлювалися у найвищій точці системи і мали прямий контакт з атмосферою. Вони були прості, але мали суттєві недоліки: випаровування води, насичення теплоносія киснем (що призводило до корозії), необхідність теплоізоляції та складність монтажу. Сучасні системи майже повсюдно використовують закриті розширювальні баки, які не мають контакту з повітрям.

Серед закритих баків виділяють два основні типи:

• Баки з фіксованою діафрагмою: Мають металеву оболонку, розділену всередині нерухомою гумовою діафрагмою. З одного боку знаходиться повітряна камера (із заводським або регульованим тиском), з іншого – камера для теплоносія. Ці баки, як правило, мають менший об’єм і використовуються для невеликих систем.
• Мембранний бак: Це найбільш поширений тип сучасних розширювальних баків. В них теплоносій знаходиться всередині еластичної гумової мембрани або груші (балона), яка відокремлена від металевого корпусу. Простір між мембраною та корпусом заповнений повітрям (або азотом) під певним тиском. При підвищенні температури і збільшенні об’єму теплоносія, він заповнює мембрану, стискаючи повітря в зовнішній камері. При охолодженні, стиснене повітря виштовхує теплоносій назад у систему. Переваги мембранних баків: теплоносій не контактує з металевим корпусом (що знижує корозію), можливість заміни мембрани у разі її пошкодження, а також використання для питної води (якщо мембрана сертифікована).

Розширювальний бак для опалення є обов’язковим компонентом як для газових, електричних, так і твердопаливних котлів, забезпечуючи стабільну роботу системи та захист її елементів від надмірного тиску.

Тиск та його регулювання в розширювальному баку

Правильний тиск в розширювальному бачку є ключовим фактором для його ефективної та довговічної роботи. Йдеться про початковий (повітряний) тиск, що знаходиться в повітряній камері бака до заповнення системи теплоносієм.

Важливість правильного тиску:

• Занадто низький тиск повітря: Мембрана буде заповнюватися водою вже при мінімальному підвищенні тиску в системі. Це призведе до швидкого заповнення бака водою, що зменшить його ефективний об’єм для компенсації розширення, спричинить часте спрацювання запобіжного клапана та нестабільний тиск у системі. Повітряна подушка може швидко виснажитися або заповнитися водою.
• Занадто високий тиск повітря: Бак не зможе ефективно приймати розширюваний теплоносій до тих пір, поки тиск у системі не перевищить початковий тиск у баку. Це означає, що система буде працювати під значно більшим тиском, ніж необхідно, і може виникнути ризик спрацювання запобіжного клапана ще до того, як бак почне повноцінно функціонувати.

Як встановити початковий тиск:

Тиск повітря в розширювальному баку (зазвичай вимірюється в барах або атмосферах) повинен бути встановлений на 0,2-0,3 бар нижче мінімального робочого тиску холодної системи опалення. Наприклад, якщо мінімальний тиск холодної системи становить 1,5 бар, то тиск у баку повинен бути 1,2-1,3 бар. Цей тиск потрібно перевіряти та встановлювати, коли система повністю охолоджена, а розширювальний бак від’єднаний від системи (або система повністю злита, що менш зручно).

Як закачати повітря в розширювальний бак:

Процедура перевірки та регулювання тиску є відносно простою, але вимагає дотримання певних кроків:

1. Вимкніть котел та насоси: Забезпечте повне охолодження системи.
2. Відключіть бак: Закрийте запірний кран перед розширювальним баком (якщо такий встановлений). Якщо його немає, необхідно злити частину води із системи, щоб тиск у ній впав до нуля.
3. Злийте воду з бака: Натисніть на ніпель повітряного клапана (схожий на автомобільний). Якщо з нього виходить вода, це свідчить про пошкодження мембрани. Якщо ні – злийте залишки води через дренажний кран (якщо є) або через запірний кран системи. Важливо, щоб у водяній камері бака не було тиску води.
4. Виміряйте тиск: За допомогою манометра (автомобільного насоса з манометром або спеціального манометра для баків) виміряйте тиск повітря в баку через ніпель.
5. Відрегулюйте тиск:
   • Якщо тиск нижче необхідного: Використовуйте автомобільний або велосипедний насос для накачування повітря до потрібного значення.
   • Якщо тиск вище необхідного: Спустіть зайве повітря, натискаючи на шток ніпеля.
6. Повторна перевірка: Після накачування або спуску повітря, знову перевірте тиск, щоб переконатися в його стабілізації.
7. Поверніть бак у роботу: Відкрийте запірний кран та поповніть систему водою до необхідного робочого тиску (зазвичай 1.5 – 2.0 бар для холодного стану).

Регулярна перевірка тиск в розширювальному бачку (раз на рік, перед опалювальним сезоном) допоможе уникнути багатьох проблем.

Розрахунок об’єму та усунення несправностей

Правильний розрахунок розширювального бака є критично важливим для забезпечення ефективності та довговічності всієї системи. Недостатній об’єм бака призведе до частих спрацювань запобіжного клапана, а надмірний – до невиправданих витрат та зайвого простору.

Для розрахунку об’єму розширювального бака враховуються такі основні параметри:

1. Загальний об’єм води в системі (V_сист): Включає об’єм котла, радіаторів, труб, бойлера (якщо він є частиною контуру). Це найскладніший параметр для точного визначення, часто його оцінюють приблизно (наприклад, для системи опалення 10-15 літрів на 1 кВт потужності котла, або за паспортними даними обладнання).
2. Коефіцієнт розширення води (E): Залежить від максимальної температури теплоносія. Чим вища температура, тим більше розширюється вода.
3. Мінімальний робочий тиск системи (P_мін): Це тиск, при якому насос гарантовано працює, а у верхніх точках системи немає розрідження (вакууму). Для систем опалення зазвичай 1,0-1,5 бар (абсолютний тиск буде P_мін + 1 бар атмосферний).
4. Максимальний робочий тиск системи (P_макс): Тиск, при якому спрацьовує запобіжний клапан. Зазвичай на 0,5 бар менше, ніж тиск спрацювання запобіжного клапана. Наприклад, якщо клапан спрацьовує при 3,0 бар, то P_макс буде 2,5 бар (абсолютний тиск буде P_макс + 1 бар атмосферний).

Формула для розрахунку об’єму розширювального бака (V_бака) має такий вигляд:

V_бака = (V_сист * E) / ((P_макс + 1) / (P_мін + 1) – 1)

Де:

• V_бака – мінімально необхідний об’єм бака, л
• V_сист – загальний об’єм теплоносія в системі, л
• E – коефіцієнт розширення теплоносія при максимальній температурі (наприклад, для води при 80°C він становить 0,0297 або 2,97%)
• P_макс – максимальний допустимий надлишковий тиск у системі, бар
• P_мін – мінімальний надлишковий тиск у системі, бар (дорівнює початковому тиску повітря в баку)
• +1 – додається для переведення надлишкового тиску в абсолютний.

Таблиця коефіцієнтів розширення води (приблизні значення):

Рекомендується брати бак з деяким запасом (наприклад, +10-20% до розрахункового об’єму) для більшої надійності.

Поширені несправності розширювальних баків та їх усунення:

Навіть найякісніші баки з часом можуть вийти з ладу. Ось ознаки, які можуть вказувати на несправність:

1. Часте спрацювання запобіжного клапана: Це може свідчити про недостатній об’єм бака, неправильно встановлений тиск повітря або повне пошкодження мембрани (коли бак заповнений водою).
2. Швидкі перепади тиску в системі: Тиск у системі різко зростає при нагріванні і швидко падає при охолодженні. Це явна ознака, що бак не виконує свою функцію компенсатора.
3. Вода витікає з ніпеля повітряного клапана: Це однозначна ознака розриву мембрани. У такому випадку, якщо це мембранний бак зі змінною мембраною, її можна замінити. Якщо діафрагма фіксована, бак підлягає заміні.
4. Низький або відсутній тиск повітря в баку: Перевірте тиск, як описано вище. Якщо він низький, накачайте його до потрібного значення. Якщо тиск швидко падає після накачування, можливо, несправний ніпель або є мікротріщина в металевому корпусі/мембрані.
5. Поява іржі або патьоків на корпусі бака: Свідчить про корозію або механічні пошкодження корпусу, що може призвести до витоку теплоносія або повітря.

Своєчасна діагностика та усунення несправностей розширювального бака забезпечать стабільну та безпечну роботу вашої системи опалення або водопостачання, продовжать термін служби іншого дороговартісного обладнання та допоможуть уникнути аварійних ситуацій.