Δοχεία διαστολής σε εγκαταστάσεις θέρμανσης

Στις συνήθεις εγκαταστάσεις θέρμανσης, το εργαζόμενο μέσο (το μέσο που μεταφέρει ενέργεια) από την πηγή (λέβητας, τζάκι, αντλία θερμότητας) στους εναλλάκτες (θερμαντικά σώματα, στοιχεία fan coil, δάπεδο ενδοδαπέδιας) είναι το νερό.

Το νερό της εγκατάστασης, υπόκειται σε μεγάλες θερμοκρασιακές διαφορές, όταν τίθεται εντός και εκτός λειτουργίας η εγκατάσταση. Σε κρύα εγκατάσταση, το νερό έχει θερμοκρασία περίπου 20oC ενώ όταν θερμανθεί, αποκτά θερμοκρασίες που φτάνουν και τους 90οC, ανάλογα με το είδος της πηγής. (π.χ ξυλολέβητες).
Οπως γνωρίζουμε από τη φυσική, όλα τα υλικά, όταν θερμαίνονται διαστέλλονται, και όταν ψύχονται συστέλλονται και το ίδιο ακριβώς συμβαίνει και με το νερό μιας εγκατάστασης θέρμανσης: Οταν το νερό θερμαίνεται, αυξάνεται ο όγκος του.

Οι συντελεστές διαστολής όγκου του νερού για κάθε θερμοκρασία είναι αυτοί που φαίνονται στον παρακάτω πίνακα

και τα ποσοστά αναφέρονται στην ποσοστιαία μεταβολή του όγκου του νερού, σε σχέση με τον όγκο που έχει στους 10oC.

Οταν λοιπόν το νερό θερμαίνεται σε μια εγκατάσταση θέρμανσης, αυξάνεται ο όγκος του σύμφωνα με τα παραπάνω ποσοστά. Αν η εγκατάσταση είναι κλειστή και έχει σταθερό όγκο (όπως γίνεται με τις σωληνώσεις, τον λέβητα και τα σώματα), τότε το νερό δεν μπορεί να διασταλεί διότι δεν έχει χώρο να το κάνει, και αντί να αυξάνεται ο όγκος του, αυξάνεται η πίεση του, ένα φαινόμενο αντίστοιχο με την χύτρα ταχύτητας. Οταν η πίεση ανέβει πέρα από κάποιο όριο, ανοίγει η βαλβίδα ασφαλείας της εγκατάστασης και αφαιρείται από την εγκατάσταση νερό.

Η πιθανότερη αιτία που αυξάνεται η πίεση μιας εγκατάστασης θέρμανσης, είναι η αστοχία του δοχείου διαστολής.




Για να διατηρηθεί η πίεση στο σύστημα σταθερή θα πρέπει να δοθεί στο νερό ο επιπλέον όγκος που απαιτείται, και αυτό μπορεί να γίνει με δύο τρόπους:


1ον, με ανοικτό δοχείο διαστολής.
Το ανοικτό δοχείο διαστολής είναι μία δεξαμενή από γαλβανισμένη λαμαρίνα που τοποθετείται στο υψηλότερο σημείο της εγκατάστασης συνήθως στο δώμα του κτιρίου. Το δοχείο είναι πάντα γεμάτο με νερό, με χρήση μηχανικού (συνήθως) φλοτεροδιακόπτη συνδεδεμένου με γραμμή ύδρευσης στο δώμα. Στο κάτω μέρος της δεξαμενής καταλήγει η σωλήνα πλήρωσης της εγκατάστασης, που κατεβαίνει κατακόρυφα μέχρι το λεβητοστάσιο και συνδέεται στη σωλήνα της επιστροφής στη χαμηλή πίεση. Η σωστή εγκατάσταση του ανοικτού δοχείου επιβάλλει την κατασκευή και δεύτερης σωλήνας, της σωλήνας εκτόνωσης, που ξεκινά μετά τον λέβητα (ή ξυλολέβητα) και λειτουργεί ως ασφαλιστικό, εκτόνωση πίεσης, και εξαέρωση.

Τα ανοικτά δοχεία έχουν το μειονέκτημα ότι καταναλώνουν ενέργεια (ατμοποιείται το νερό στο περιβάλλον) και νερό (αναπληρώνεται το νερό που εξατμίζεται, αλλά είναι απαραίτητα σε ερίπτωση εγκατάστασης ξυλολέβητα χωρίς χρήση δοχείου αδρανείας.








2. Με κλειστό δοχείο διαστολής.

Μια δεύτερη διάταξη για την διατήρηση της πίεσης, είναι το κλειστό δοχείο διαστολής. Αποστολή και των κλειστών δοχείων διαστολής είναι να παρέχουν τον απαιτούμενο όγκο στο νερό ώστε να μπορεί αυτό να διασταλεί χωρίς να αυξάνεται η πίεση της εγκατάστασης. Τα δοχεία διαστολής, είναι κλειστά μεταλλικά δοχεία, που διαιρούνται σε δύο όγκους έναν κλειστό γεμάτο με αέρα και έναν ανοικτό που τους διαχωρίζει μια ελαστική μεμβράνη.








Σε κατάσταση ηρεμίας (σχήμα α), η πίεση του αέρα στο κλειστό διαμέρισμα του δοχείου, πιέζει τη μεμβράνη στα τοιχώματα του δοχείου και το δοχείο είναι γεμάτο με αέρα.

Μετά την πλήρωση του δικτύου με νερό (b), η πίεση του νερού πιέζει τη μεμβράνη και γεμίζει μέρος του δοχείου με νερό, μέχρι να εξισορροπηθούν οι πιέσεις νερού και αέρα.

Οταν το νερό της εγκατάστασης θερμανθεί (c), τείνει να διασταλεί, και πιέζει τη μεμβράνη ακόμα περισσότερο προς τη μεριά του αέρα, αυξάνοντας έτσι τον όγκο του νερού στο δοχείο, και κατ΄επέκταση το συνολικό όγκο του νερού στο σύστημα.

Με τον τρόπο αυτόν η πίεση του δικτύου διατηρείται σχεδόν σταθερή, και η συστολοδιατολή του νερού παραλαμβάνεται στο δοχείο διαστολής.

Το δοχείο διαστολής είναι πολύ σημαντικό κομμάτι της εγκατάστασης, και πιθανή βλάβη του, οδηγεί αμέσως σε αυξημένες πιέσεις στο δίκτυο κατά τη θέρμανση του νερού.




Υπολογισμός όγκου κλειστού δοχείου διαστολής σε εγκαταστάσεις θέρμανσης

Αυτός γίνεται βάσει του προτύπου EN12828, το οποίο ορίζει:

• Va (lt) = ο συνολικός όγκος νερού στο σύστημα θέρμανσης σε κρύα κατάσταση
• Vn (lt) = ο ονομαστικός όγκος του δοχείου διαστολής
• Vv (lt) = ο αρχικός όγκος νερού στο δοχείο διαστολής
• Ve (lt) = ο επιπλέον όγκος νερού που θα εισχωρήσει στο δοχείο (ο όγκος διαστολής)
• Po (bar) = αρχική πίεση αερίου στο δοχείο (ελάχιστη πίεση)
• Pa (bar) = αρχική πίεση του δικτύου θέρμανσης (κρύα εγκατάσταση)
• Pe (bar) = τελική επιτρεπόμενη πίεση στην εγκατάσταση (στη μέγιστη θερμοκρασία)
• Pst (bar) = πίεση δικτύου στο σημείο εγκατάστασης του δοχείου (στατικό ύψος εγκατάστασης)
• Psv (bar) = πίεση ανοίγματος βαλβίδας ασφαλείας

Ο μαθηματικός τύπος για τον υπολογισμό του ονομαστικού όγκου Vn του δοχείου διαστολής ειναι ο:



όπου (Ve+Vv) είναι ο συνολικός όγκος νερού που θα βρεθεί εντός του δοχείου όταν η εγκατάσταση βρεθεί στη μέγιστη θερμοκρασία.

Ο αρχικός ογκος νερού στο δοχείο, υπολογίζεται σαν ποσοστό (0,5%) του συνολικού όγκου νερού στην εγκατάσταση, άρα



Ο όγκος διαστολής (ο επιπλέον όγκος που καταλαμβάνει το νερό όταν ζεσταθεί), ισούται με



δηλαδή με τον αρχικό συνολικό όγκο νερού στο συστημα (Va) επι τον συντελεστή διαστολής.

Ο συντελεστής διαστολής μπορεί να υπολογιστεί είτε από τον πίνακα, είτε από το διάγραμμα:




Η επιτρεπόμενη μέγιστη πίεση στην εγκατάσταση (Pe) ισούται με την πίεση ασφαλείας (πίεση στην οποία ανοίγει η βαλβίδα ασφαλείας) μείον ένα περιθώριο ασφαλείας (Δpsv)



το όριο ασφαλείας Δpsv για πιέσεις μέχρι 5 bar, ισούται με 0,5bar

ενώ για την αρχική πίεση του αέρα στο δοχείο διαστολής (Po), ισχύει



δηλαδή ισούται με το στατικό ύψος εγκατάστασης προσαυξημένο κατά τον συντελεστή PD
ο οποίος είναι

0,0 για εγκαταστάσεις μέγιστης θερμοκρασίας μέχρι 100 βαθμούς Κελσίου,
0,5 για εγκαταστάσεις μέγιστης θερμοκρασίας 100-110 oC,
1,0 για εγκαταστάσεις μέγιστης θερμοκρασίας 110-120 oC,

Παράδειγμα:

Εστω εγκατάσταση θέρμανσης με λέβητα 50kW, περιεχόμενο νερο στο σύστημα 500lt, μέγιστη θερμοκρασία λειτουργίας 90οC, βαλβίδα ασφαλείας 2,5bar (psv) και στατικό ύψος 7m (Pst = 7/10 = 0,7bar)

Σύμφωνα με τα παραπάνω,

o συντελεστής Δpsv θα ισούται με 0,5bar (πίεση εγκατάστασης κάτω από 5 bar)
H μέγιστη επιτρεπόμενη πίεση λειτουργίας είναι Pe = Psv - Δpsv = 2,5 - 0,5 = 2bar
pD = 0 (μέγιστη θερμοκρασία εγκατάστασης κάτω από 100οC)
H αρχική πίεση της εγκατάστασης είναι Po = Pst + pD = 0,7 + 0,0 = 0,7bar

n (από τον πινακα ή το διάγραμμα = 3,55)
Ve = Va x n / 100 = 500 x 3,55 / 100 = 17,75 lt
Vv = ( 0,5 / 100 ) x 500 = 2,5lt


και συνεπώς Vn = (17,75 + 2,5) lt x [ ( 2 + 1 )bar / ( 2 - 0,7 ) bar ] = 46,73 lt

και επιλέγουμε το επόμενο τυποποιημένο δοχείο, όγκου 50lt.


Τους παραπάνω υπολογισμούς μπορείτε να εκτελέσετε online, με το προγραμματάκι που θα βρείτε εδώ



Αλλες χρήσεις των κλειστών δοχείων διαστολής.

Τα κλειστά δοχεία διαστολής, δεν χρησιμοποιούνται μόνο για την παραλαβή συστολοδιαστολών στη θέρμανση, αλλά και για την παραλαβή αυξομειώσεων πίεσης (υδραυλικό πλήγμα) σε υδραυλικά δίκτυα με αντλίες. (πιεστικά συγκροτήματα, πυροσβεστικά συγκροτήματα, αντλιοστάσια γενικότερα. Οι λόγοι που τοποθετείται δοχείο διαστολής εκεί, είναι εντελώς διαφορετικοί από ότι στη θέρμανση, και ο τρόπος υπολογισμού του όγκου του δοχείου εντελώς διαφορετικός επίσης.

Οι περιπτώσεις αυτές, ξεφεύγουν από το σκοπό του άρθρου αυτού και θα αποτελέσουν αντικείμενο μελέτης σε επόμενο άρθρο.