Membránové expanzní nádoby (MEN) se začínají používat také u zásobníkových ohřívačů vody určených pro rodinné domky a u teplovodních kotlů. V prvém případě ve funkci nepovinného expanzního zařízení. Ve druhém případě ve funkci povinného pojistného zařízení, chránící kotel proti nedovolenému podtlaku. V příspěvku je uveden způsob výpočtu velikosti MEN, princip počátečního seřízení i průběžné kontroly MEN.
MEN u ohřívačů vody
Zásobníkové ohřívače vody v rodinných domcích mají nejčastěji objem do 0,2 m3. Při každém ohřátí vody v zásobníku se zvětšuje její objem. Pokud se během ohřívání neodebírá teplá voda, odchází nárůst objemu vody pojistným ventilem do odpadu. Objem takto ztracené vody za den může činit 4.10-3 m3.
Tato situace je možná pouze v rodinných domcích , neboť ohřev může probíhat v době, kdy jsou všichni obyvatelé mimo dům a tudíž neodpouští vodu. Naopak u zásobníkových ohřívačů vody, určených pro více bytů, je odpouštění teplé vody při ohřevu velice pravděpodobné. Použití MEN, která musí mít tlakovou odolnost alespoň rovnou odolnosti ohřívače, se ztrátám pitné vody zamezí (obr.2).
Velikost MEN se stanoví ze vztahu
Vn = Vz . n /? 1 - (pd + 0,1)/ (ph + 0,1)?,
kde Vn je objem MEN ? m3?
Vz - objem zásobníku ohřívače ? m3?
n - poměrné zvětšení objemu vody
při ohřátí vody o? tm ? K ?(obr.1) ? - ?
pd - nejvyšší přetlak studené vody MPa
ph - nejvyšší provozní přetlak vody v ohřívači MPa.
Nejvyšší provozní přetlak vody v ohřívači se volí tak, aby byl těsně pod hodnotou pot otevíracího přetlaku pojistného ventilu ohřívače, sníženou o toleranci otevíracího přetlaku ventilu, která bývá 10%. Pro hodnotu otevíracího přetlaku pojistného ventilu musí platit, že je menší než nejvyšší dovolený přetlak ohřívače.
Příklad:
V rodinném domku je zásobníkový ohřívač vody o objemu Vz = 0,1 m3. Voda je ohřívána z teploty 10 oC o ?t m = 35 K na 45 oC. Nejvyšší přetlak studené vody pd =0,6 MPa, nejvyšší dovolený přetlak ohřívače i MEN je 1,0 MPa. Jak velká bude MEN?
Otevírací přetlak pojistného se volí p =1,0 MPa. Nejvyšší provozní přetlak vody v ohřívači se zvolí o 10%nižší než p ot, t.j. ph =0,9 MPa. Hodnota n=0,01 (obr.1).Velikost MEN bude
Vn = 0,1 . 0,01/? 1 - (0,6 + 0,1)/(0,9 + 0,1)? = 3,3.10-3 m3.
Seřízení a kontrola
Počáteční seřízení MEN se provede před napuštěním ohřívače. Přetlak vzduchu v MEN se upraví na hodnotu nejvyššího přetlaku studené vody. Buď se odpustí ventilkem na MEN nebo se přes ventilek dohustí.
Průběžná kontrola nastavení MEN spočívá v kontrole přetlaku vzduchu v prázdné MEN , ve které není voda. Tento stav se navodí uzavřením armatury na expanzním potrubí a odpuštěním vody z části expanzního potrubí a z MEN. Pokud není přetlak vzduchu roven nejvyššímu přetlaku studené vody, musí se na tuto hodnotu upravit.
Obr.2 MEN u ohřívače vody
Obr.3 MEN u kotle
Obr. 4 Vznik podtlaku v trubice s vodou
MEN u kotlů
Pokud výrobce kotle požaduje chránit kotel před podtlakem, musí být podle ČSN 06 0830 součástí pojistného zařízení i ochrana proti podtlaku. Podtlak v kotli může nastat v případě uzavření nahřátého kotle na vstupu i výstupu oběhové vody. Při chladnutí vody nastává v kotli podtlak. Jednou z variant ochrany proti podtlaku je použití MEN. Protože je v tomto případě MEN i propojovací potrubí součástí pojistného zařízení, nesmí být na potrubí uzavírací armatura. Použitím MEN, která musí mít tlakovou odolnost alespoň rovnou odolnosti tepelné soustavy, se vzniku podtlaku zcela zamezí (obr.3).
Velikost MEN se stanoví ze vztahu
Vn= Vk . n / ?1 - 0,1 /(ph+ 0,1 )?,
kde Vn je objem MEN ? m3?
Vk - objem vody v kotli ? m3?
n - poměrné zvětšení objemu vody při
ohřátí vody o ?tm K (obr. 1) ? -?
ph - nejvyšší provozní přetlak vody v kotli MPa
Nejvyšší provozní přetlak vody v kotli je dán nejvyšším provozním přetlakem vody v tepelné soustavě.
Příklad
Provozní termostat teplovodního kotle o objemu vody 0,1 m3 je nastaven na teplotu 90 oC. Nejvyšší provozní přetlak vody v soustavě a tím i v kotli je ph = 0,4 MPa. Jak velká bude MEN?
Voda může v kotli chladnout ze střední teploty 80 oC (soustava 90/70 oC) o? tm = 70 K na 10 oC. Hodnota n = 0,03 (obr.1) . Velikost MEN bude
Vn = 0,1 . 0,03 / ?1 - 0,1 /(0,4 + 0,1)? = 3,8 . 10 -3 m3.
Seřízení a kontrola
Počáteční seřízení MEN se provede před napuštěním kotle. Přetlak vzduchu v MEN se musí snížit na nulu. Vzduch se odpustí ventilkem.
Průběžná kontrola nastavení MEN spočívá v kontrole nulového přetlaku vzduchu v prázdném MEN, ve které není voda. Tento stav lze navodit pouze po uzavření armatur na kotli a vypuštěním vody z kotle. Z části propojovacího potrubí a z MEN se musí voda vytlačit mírným dohuštěním vzduchu do MEN. Potom se vzduch z MEN plně odpustí a kotel se napustí vodou.
Pozor na manometry u MEN
Manometry na tepelných soustavách s MEN slouží pro kontrolu nastavených a provozních přetlaků v soustavách. Údaje manometrů nelze vždy použít pro určení výšky hladiny v soustavě , resp. pro určení zavodnění soustavy. Manometr měří pouze přetlak v soustavě na rozdíl od manovakuometru, který měří i podtlak. Pokud je v soustavě v úrovni manometru podtlak, manometr ukáže nulu, i když je nad jeho úrovní sloupec vody.
Má-li zařízení obsahující vodu bez plynů pevný objem Vp + Vv , např. svislá trubice s vodou (obr.4), dojde po snížení teploty vody ke zmenšení objemu vody na hodnotu Vv a v nejvyšším místě zařízení se vytvoří prostor Vp vyplněný vodní parou. Velikost parního prostoru je prakticky rovna zmenšení objemu vody a je závislá pouze na počáteční a konečné teplotě ochlazené vody. Absolutní tlak v tomto prostoru je blízký nule a je závislý pouze na teplotě ochlazení. Je-li končená teplota 10 oC bude tlak 1,23 kPa, při teplotě 20 oC bude 2,34 kPa. V relativní tlakové stupnice půjde o podtlak přibližně 99 a 98 kPa.V praxi tyto tlaky můžeme považovat za nulové.
V níže položených hladinách zařízení je vlivem přidaného sloupce vody absolutní tlak vyšší a podtlak nižší. U zařízení s výškou do 10 m bude podtlak po celé výšce, u zařízení nad 10 m pouze v hloubce do 10 m měřené shora. V hloubce nad 10 m bude manometr ukazovat přetlak o 100 kPa nižší, než by odpovídalo otevřenému plně zavodněnému zařízení.
Stejný stav nastává v tepelné soustavě s MEN při nedostatečné zásobě vody v MEN v teplém stavu soustavy. Následuje-li snížení střední teploty vody v soustavě, které způsobí takové zmenšení objemu vody v soustavě, že se MEN vyprázdní, membrána "uzavře" objem soustavy a v nejvyšších místech soustavy vznikne podtlak. U soustav v rodinných domcích s výškou do 10 m vznikne podtlak v celé soustavě.
