Naczynie wzbiorcze

Problem - wzrost objętości wody

Jedną z przyczyn wzrostu ciśnienia wody grzewczej jest wzrost jej objętości. Woda, podobnie jak każda substancja, pod wpływem wzrastającej temperatury zwiększa swą objętość. Przygotowanie wody grzewczej (czyli podgrzanie wody wodociągowej do temperatury zasilania) sprawia więc, że wody przybędzie. Możliwe jest określenie ilości dodatkowej wody.
Istnieje współczynnik zwany objętościowym współczynnikiem rozszerzalności cieplnej wody. Współczynnik ten mówi o tym, o ile zwiększa się objętość 1 kilograma wody pod wpływem zmiany temperatury o 1°C. Według niego można określić przyrost objętości wody, zależny od temperatury spoczynkowej (czyli temperatury wody z instalacji wodociągowej) oraz temperatury zasilania (czyli temperatury wody grzewczej).

Przykład
Przygotowanie wody grzewczej o temperaturze 90ºC (temperatura spoczynkowa 10ºC).
Objętość wody zwiększa się o 0,0356 dm³/kg.
Wydaje się to niewielką ilością, ale oznacza przyrost 35,59 dm³/m³.
Jeśli przykładowo objętość instalacji grzewczej wynosi 0,3 m³, podczas przygotowania wody grzewczej przybędzie ok. 10,7 dm³ wody. 

Gdyby dodatkowa ilość wody miała się zmieścić w instalacji, spowodowałaby wzrost ciśnienia. Zgodnie z Rozporządzeniem Ministra Infrastruktury w sprawie warunków, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie, należy temu zapobiegać. Rozporządzenie mówi, że "Instalacja ogrzewcza wodna powinna być zabezpieczona przed nadmiernym wzrostem ciśnienia i temperatury, zgodnie z wymaganiami Polskich Norm dotyczących zabezpieczeń instalacji ogrzewań wodnych". Norma przywołana to PN-B-02414:1999. Ogrzewnictwo i ciepłownictwo. Zabezpieczenie instalacji ogrzewań wodnych systemu zamkniętego z naczyniami wzbiorczymi przeponowymi.

Wymagania

Zadanie naczynia wzbiorczego
Przeponowe naczynia wzbiorcze są więc rozwiązaniem jednego z "naturalnych" problemów
z ciśnieniem w instalacji. Zadaniem ich jest przejąć nadmiarową wodę powstającą podczas przygotowania ciepłej wody użytkowej i oddać ją do instalacji, gdy potrzebne jest uzupełnienie wody.
Same naczynia są zbiornikami stalowymi o kształcie cylindrycznym lub płaskim (naczynia płaskie
są zazwyczaj stosowane w jednej obudowie z kotłem). Zbiorniki wykonane są ze stali (spawane), zabezpieczone przed korozją (w obszarze kontaktu z wodą), np. poprzez malowanie specjalnym lakierem proszkowym. Od zewnątrz naczynia pokryte są specjalną powłoką z tworzywa sztucznego.

W każdym naczyniu można wyróżnić dwie części - część gazową i część wodną (użytkową, która stanowi do 80% całkowitej pojemności naczynia). Części te oddzielone są specjalną, szczelną  membraną (przeponą)wykonaną materiału elastycznego - elastomeru (najczęściej kauczuku butylowego). Materiał ten jest odporny na zmiany ciśnień i nie jest podatny na korozję. Równowaga między tym częściami jest podstawą funkcjonowanie naczynia wzbiorczego.

Naczynie wzbiorcze nie może być stosowane w instalacji, w której jest kocioł na paliwo stałe.

Naczynie wzbiorcze - parametry
Naczynie wzbiorcze montowane jest w kotłowni lub węźle cieplnym. Objętość (pojemność) użytkowa naczynia wzbiorczego zależy od objętości zładu, czyli całej instalacji napełnionej wodą - grzejników, rur, pojemności wodnej kotła. Naczynie wzbiorcze jest najbardziej wśród wszystkich urządzeń wrażliwe na nadmierny wzrost ciśnienia w instalacji. Dlatego dobierając ciśnienie otwarcia zawory bezpieczeństwa w instalacji, należy kierować się maksymalnym ciśnieniem pracy naczynia wzbiorczego.

Pojemność użytkowa naczynia wzbiorczego
Pojemność części wodnej naczynia. Obliczana jest jako objętość wody, która powstanie w instalacji podczas podgrzewania wody, wg. wzoru:

Vu = V · DV · r
V - objętość instalacji grzewczej [m³]
DV - przyrost objętości wody [dm³/kg]
r - gęstość wody w temperaturze spoczynkowej [kg/m³]

Jest to minimalna objętość użytkowa naczynia - nie jest zabronione przyjęcie większej wartości,
a wręcz zaleca się przewidzieć pewną rezerwę na ubytki wody podczas eksploatacji.

Z kolei objętość całkowitą naczynia oblicza się wg. wzoru:

Vc = Vu · (pmax+1)/(pmax- p)
Vu - objętość użytkowa naczynia [dm³]
pmax-  maksymalne ciśnienie obliczeniowe [bar]
p -  ciśnienie wstępne w instalacji [bar]

Ciśnienie wstępne
Ciśnienie w przestrzeni gazowej naczynia, panujące przed przyłączeniem naczynia do instalacji:
p = pst + 0,2 [bar]
pst - ciśnienie hydrostatyczne na poziomie króćca przyłącznego naczynia wzbiorczego [bar]

Naczynie wzbiorcze można zamontować po stronie ssawnej lub tłocznej pompy - w tym drugim przypadku wartość ciśnienia wstępnego trzeba zwiększyć o wysokość podnoszenia pompy.

Maksymalne ciśnienie obliczeniowe
Jest to ciśnienie dopuszczalne na poziomie króćca łączącego naczynie z rurą wzbiorczą (rura ta łączy naczynie z instalacją). Ciśnienie maksymalne nie może być większe nić ciśnienie dopuszczalne dla instalacji, z uwzględnieniem różnicy rzędnych pomiędzy najniższym punktem instalacji a poziomem króćca przyłącznego rury wzbiorczej do naczynia wzbiorczego. Nie może też być większe od podanego przez producenta ciśnienia dopuszczalnego dla danego naczynia o więcej niż 2 bary.

Rodzaje naczyń wzbiorczych
Wg zasady działania naczynia wzbiorcze można podzielić na trzy kategorie.

• naczynia wzbiorcze przeponowe z hermetyczną przestrzenią gazową;
• naczynia wzbiorcze przeponowe z urządzeniem sprężarkowo - upustowym;
• naczynia wzbiorcze przeponowe z urządzeniem pompowo - upustowym;

W budownictwie jednorodzinnym najpopularniejsze i zupełnie wystarczające są naczynia
z hermetyczną przestrzenią gazową.

Naczynie wzbiorcze przeponowe z urządzeniem sprężarkowo-upustowym
Przestrzeń gazowa naczynia połączona jest z urządzeniem sprężarkowo - upustowym. Jego zadaniem jest stabilizacja ciśnienia do określonej wartości w przestrzeni gazowej. Kiedy woda instalacyjna jest ogrzewana, uruchamia się zawór upustowy powietrza. Dzięki temu ciśnienie w przestrzeni gazowej spada do ustawionej wartości. Powoduje to przepływ wody (woda "dąży" do wyrównania ciśnienia w zbiorniku).
Kiedy woda instalacyjna się ochładza, włącza się sprężarka - ciśnienie w przestrzeni gazowej rośnie do ustalonej wartości, co powoduje wypływ wody z naczynia.

Naczynie wzbiorcze przeponowe z urządzeniem sprężarkowo-upustowym
Przestrzeń gazowa takiego naczynia jest połączona z powietrzem atmosferycznym, a przestrzeń wodna - z instalacją ogrzewania wodnego za pośrednictwem urządzenia pompowo-upustowego. Urządzenie to stabilizuje ciśnienie w instalacji na określonym poziomie. Podczas ogrzewania wody instalacyjnej uruchamia się zawór upustowy, co powoduje przepływ wody z instalacji do naczynia (proces ten zapobiega wzrostowi ciśnienia powyżej ustalonej wartości). Podczas ochładzania wody instalacyjnej zaczyna pracować pompa, która tłoczy wodę do instalacji, aby zapobiec spadkowi ciśnienia poniżej wartości minimalnej.

Naczynia wzbiorcze przeponowe z hermetyczną przestrzenią gazową
Przestrzeń gazowa w tym typie naczynia jest zamknięta i oddzielona od powietrza atmosferycznego za pomocą specjalnego zaworu zwrotnego. W zależności od wielkości naczynia rozróżnia:

• naczynia mniejsze (pojemność użytkowa do 1000 l) z membraną niewymienną, która jest zaciśnięta między wytłoczkami stalowymi (do 80 l) lub mocowana za pomocą specjalnego pierścienia (do 1000 l);
• naczynia większe (pojemność użytkowa do 12 000 l) z membraną wymienną (workową); przestrzeń wodna znajduje się w gumowym worku, a przestrzeń gazowa jest utworzona naturalnie między workiem a ściankami naczynia.

Naczynia muszą być umieszczone w pomieszczeniu źródła ciepła (kotłownia lub węzeł cieplny) lub przyległym. Temperatura w pomieszczeniu nie powinna spadać poniżej 5ºC. Naczynia mogą występować jako leżące lub stojące (duże), natomiast naczynia małe mogą być też naczyniami wiszącymi.
Naczynie jest włączone do instalacji za pomocą specjalnej rury. Nosi ona nazwę rury wzbiorczej i musi mieć odpowiednią średnicę.
Naczynie jest też wyposażone w zawór obsługowy, który umożliwia odcięcie naczynia od instalacji grzewczej.