Expansionskärl för värmesystem: konstruktion, beräkning och val av bästa alternativ

Ett rätt valt och korrekt installerat expansionskärl för värmesystem förhindrar att systemet går sönder och håller trycket på rätt nivå. Det behövs som reserv för vatten som expanderar vid uppvärmning. Beroende på systemets typ kan den inbyggda expansionstanken vara av öppen eller sluten typ.

Vi berättar hur du väljer en reservtank beroende på värmesystemets utformning. I vår artikel beskrivs konstruktionsegenskaper och specifikationer för installation av expansionskärl. Vi ger rekommendationer som garanterar perfekt funktion för alla typer av värmekretsar.

Expansionskärl av öppen typ

Konstruktionsegenskaper för expansionskärl av öppen typ är att värmebäraren är i kontakt med atmosfären. Cirkulationen i system med denna typ av expansionskärl är konvektionsbaserad. Vid uppvärmning ökar vätskans volym och överskottet tas upp av tankens reservoar.

När temperaturen sjunker återvänder vätskan tillbaka genom självfall, under gravitationens inverkan.

På grund av nolltryck i tanken kräver anordningen ingen stark metallkonstruktion, därför:

• i tillverkningen av höljet kan vilken metall som helst användas;
• en färdig behållare av värmebeständig plast kan användas;
• tankens form är inte avgörande.

I sommarstugor kan sådan utrustning tillverkas av enkla medel. Som behållare kan du använda en plastdunk eller tunna utrustad med en inloppsstos och ett överloppsutlopp.

Expansionskärl av öppen typ kan tillverkas i form av en rektangulär tank med en otät lucka på ovansidan

Utvändigt är det en vanlig metalltank vars ovansida har en öppning för service och påfyllning av vätska. Skydd mot smuts ges av en otät lucka. I nedre delen eller på sidan finns fästpunkter.

Öppna värmesystem används i låga byggnader där volymen värmebärare och längden på värmeleadningarna är relativt små.

Installationskraven är enkla:

• expansionskärlet placeras på högsta punkten, på framledningen;
• framledningen ansluts till tanken via en anslutning;
• för avrinning av överskottsvätska görs en överloppsanslutning ovanför den beräknade nivån.

För att säkerställa självcirkulation rekommenderas att använda rör med större diameter vid installation.

Den öppna konstruktionen placeras i den högsta punkten, varifrån vätskan rinner av med självfall.

Vanligtvis försöker man montera tanken i ett uppvärmt rum, på en isolerad vind, och om det inte är möjligt måste behållaren isoleras. Isoleringen förhindrar att vätskan fryser och att systemet förlorar funktionsduglighet.

Expansionskärl av sluten typ

Den konstruktionsmässiga egenheten hos slutna tankmodifieringar är fullständig täthet, vilket gör det möjligt att upprätthålla det tryck som krävs för cirkulation i alla punkter i systemet.

Behållaren är invändigt uppdelad av ett membran i en luftdel och en vätskedel. Varje fack är helt tätt – den kvävehaltiga blandningen från luftavdelningen kommer aldrig att blandas med värmebäraren som fyller vätskefacket.

Funktionsprincipen för ett slutet expansionskärl är att den uppvärmda vätskan från systemet trycks in i vätskedelen av tanken och börjar trycka på den täta membranet från sin sida. Skiljeväggen deformeras och påverkar luftdelen, vilket komprimerar den.

Som ett resultat minskar volymen på tankens luftkammare och gasen i den komprimeras. Denna situation bidrar till en tryckökning i systemet. Så snart trycket normaliseras trycks värmebäraren tillbaka ut ur vätskeavdelningen.

Om trycket stiger snabbt, när den kritiska volymen vätska i tanken uppnås, aktiveras säkerhetsventilen. Som ett resultat avlägsnas överflödig värmebärare från kärlet.

Den slutna konstruktionen är helt tät. I dess nedre del finns en fläns med en inloppsanslutning, och i den övre delen en nippel för gasfyllning.

Beroende på form delas alla slutna expansionskärl för installation i värmesystem in i följande typer:

1. Klotformade – en typ av membrankonstruktion med en elastisk skiljevägg. När vätska kommer in sträcks den och tar emot hela överskottsvolymen. Själva tanken har formen av en klotformad kapsel.
2. Ovala – ytterligare en typ av membranhydraulkompensatorer. Expansionskärlets behållare är traditionellt delad av ett flexibelt membran i en gas- och en vätskekammare, men kroppens konfiguration har en något vertikalt utsträckt form.

Utvändigt är ovala expansionskärl en cylindriskt formad behållare målad i röd färg. På ena sidan finns en nippel för att skapa tryck i gaskammaren, på den andra sidan en anslutning genom vilken anslutning till systemet görs.

På karossen är fästpunkter svetsade som möjliggör väggmontering av utrustningen och kan bära dess arbetsvikt. Den klotformade modifieringen av tanken skiljer sig från den ovala endast i form.

Efter typ delas slutna expansionstankar med membran in i membran- och ballongmodeller

I slutna system kan naturlig cirkulation inte ge det nödvändiga trycket. Därför ingår en cirkulationspump i konstruktionen.

Själva expansionstanken kan placeras var som helst i systemet, men vid installation bör följande rekommendationer beaktas:

• bästa placering är returledningen, före pumpens anslutningspunkt;
• tillförsel av värmeöverföringsmedium bör ske uppifrån för att minska luftinträngning och behålla funktionen vid membranskada;
• brist på huvudvolym kan kompenseras genom installation av en extra expansionstank med mindre kapacitet.

Vid installation kan inredningen beaktas om det behövs. För att kontrollera trycket i värmesystemet måste expansionstanken vara utrustad med en manometer.

En sluten expansionstank placeras vanligtvis före pannan, före cirkulationspumpens placering

Möjligheten att placera den nära pannan eliminerar behovet av isolering. Utrustningen är i ett varmt utrymme, vilket gör den lätt att använda.

Vilken konstruktion är bäst?

Systemen skiljer sig åt i för- och nackdelar beroende på expansionstankens konstruktion och material. Men enligt experter och erfarna användare har slutna alternativ funktionella fördelar.

Fördelar och nackdelar med öppen tank

Ett självcirkulationssystem kräver rör med större diameter, vilket direkt ökar kostnaderna. Kostnaden för att installera ett öppet värmesystem med en otät expansionstank ökar något men är fortfarande relativt låg.

De främsta fördelarna med detta alternativ är enkelhet och låg kostnad för komponenter och installation. En annan positiv aspekt är att tryckövervakning inte behövs.

En öppen expansionstank för små system kan byggas av tillgängliga material, och installationen är enkel

Men nackdelarna är betydligt fler:

• användning av frostskyddsmedel är farligt på grund av giftiga ångor;
• installationsmöjligheterna är begränsade till systemets högsta punkt;
• konstant kontakt med atmosfären ökar risken för luftfickor och korrosion;
• långsam uppvärmning;
• temperaturväxlingar vid konvektionscirkulation påskyndar slitage;
• används i uppvärmning av låga byggnader, maximalt två våningar;
• stora värmeförluster och energiförbrukning för uppvärmning.

En annan nackdel med ett öppet system är förluster genom avdunstning och spill. Därför bör man vid montering av tanken se till att påfyllningsöppningen är åtkomlig.

Fördelar och nackdelar med sluten tank

Om öppna expandrar vinner på pris och enkel montering, så är funktionaliteten den starka sidan hos den slutna tanken, som också kallas expansionskärl. Det är dessa som används i byggandet av slutna värmesystem som inte har direktkontakt med atmosfären.

Expansionskärl har följande fördelar:

• Full täthet gör det möjligt att använda antifrys;
• Placeringen av expansionskärlet påverkar inte systemets funktion;
• Isoleringen av innandömet i tanken minimerar sannolikheten för luftfickor och korrosionsbildning;
• Efter start tar systemet snabbare tid att värmas upp och är känsligare för justering av temperaturinställningar;
• Mindre skillnad mellan driftsförhållanden för fram- och returledningarna, vilket i sin tur ökar livslängden;
• Kräver inte montage av rör med stor diameter, vilket gör att man kan spara på byggandet;
• Kräver inte konstant uppmärksamhet på vätskans nivå och tillstånd;
• Möjlighet att användas i system avsedda för flera våningar;
• Små värmeförluster som minskar kostnaderna vid drift av utrustningen;

Vid val av expandrar av denna typ kan man stöta på täta flaskor med en konstruktion som inte är isärmonterbar. Om diafragman är defekt måste flaskan bytas ut mot en ny.

För att övervaka arbetstrycket monteras en manometer på behållaren. För att avlägsna överskottsluft installeras en automatisk eller mekanisk avluftare.

Bland nackdelarna är det viktigt att notera konstruktionens komplexitet, de särskilda materialkraven som ökar utrustningens kostnad. Till detta kan läggas behovet av konstant tryckövervakning och återställning vid behov.

Regler för beräkning av tankens kapacitet

Expansionskärl av alla slag är endast effektiva om volymen väljs rätt. För detta måste man ta hänsyn till vätskans expansionsförmåga vid uppvärmning. Vatten i värmeslingor expanderar med minst 3% av vattensystemets totala volym, frostskyddsvätska – med nästan 5%.

Vätskor tillhör kategorin icke-komprimerbara medier, så tanken måste ge tillräcklig reserv för termisk expansion med viss marginal. Om kretsen är helt fylld med värmebärare kan även den beräknade termiska expansionen leda till att vätska släpps ut via säkerhetsventilen och att värmebärare spills på golvet.

Därför, för att överskott av expanderande värmebärare inte ska leda till olyckor, köps slutna expansionskärl för små kretsar i privata hus så att deras volym motsvarar 10% av den totala volymen värmebärare som cirkulerar i systemet. Denna regel gäller för system med en volym upp till 150 liter.

Om mer än 150 liter värmebärare cirkulerar i värmeslingan, beräknas det slutna kärlets volym genom att multiplicera vätskans totala volym med dess expansionskoefficient vid specifika driftstemperaturer i systemet.

Till det erhållna värdet måste man addera vattenlåsets storlek, dvs. volymen värmebärare som bildats i tanken som ett resultat av standard statiskt vätsketryck. För stora värmeslingor är detta värde vanligtvis 0,5% av den totala volymen värmebärare, för små med en kapacitet upp till 150 liter antas det vara 20%.

Den erhållna summan multipliceras med en korrektionsfaktor som bestäms av värdena på för- och sluttryck i värmesystemet. Förvärdet antas vara baserat på att 1 bar motsvarar 10 m höjd av kretsen. Sluttrycket bildas som ett resultat av systemets drift.

Beräkningen av volymen för ett slutet expansionskärl för stora komplexa värmekonstruktioner ser ut så här:

I beräkningarna används: Vn – nominell volym för slutet kärl; Ve – värmebärarens volym vid termisk expansion (beräknas med formeln Vsystem×n%, där n är värmebärarens temperaturutvidgningskoefficient); Vv – vattenlås; po – förhandstryck; pe – sluttryck, lika med säkerhetsventilens gränstryck minus 0,5 bar

Öppen typ kapacitet regleras inte strikt av normer, men det finns en regel: volymen på den öppna behållaren fram till överloppsröret ska vara 3,5 – 4 % av den totala volymen av värmeöverföringsmediet i värmekretsen.

En sådan uppskattning är tillräcklig för ett litet sommarhus, men en byggnad för permanent boende kräver en mer exakt beräkning. Först och främst måste man ta reda på värmesystemets totala volym.

Alternativ för beräkning av total värmekapacitet

Denna indikator kan bestämmas med olika noggrannhetsgrad på tre huvudsakliga sätt. För det första, baserat på pannans specifikationsdata. För varje enhet av panneffekt krävs cirka 15 liter vätska. För att få de nödvändiga uppgifterna måste du multiplicera 15 med pannans effekt som anges i specifikationen.

För det andra kan man ta reda på volymen med hjälp av en vattenmätare när man fyller systemet. När man fyller på räknas mängden använd vätska. Detta är ett mer exakt men besvärligare alternativ.

Det tredje sättet innebär att beräkna den totala volymen av alla element i värmesystemet. Detta är det mest exakta alternativet. Kapaciteten hos pannans värmeväxlare, radiatorer, konvektorer och mätinstrument kan tas fram ur specifikationsdata. För att beräkna rörens kapacitet används data från en tabell.

I tabellen anges rörstorlekar i tum och deras volym i liter per 1 meter, vilket används för att summera totalvolymen.

I tabellen anges rörens volym per meter längd, tillverkade av de mest gångbara och moderna materialen. Innerdiametern anges i tum från 0,5 till 1,5 enheter.

Ännu ett sätt som gör anspråk på hög noggrannhet är beräkning med formeln:

Vtotal = π x D² x L/4,

där:

• π – är lika med 3,14;
• D – betecknar parametrar för rörens innerdiameter;
• L – anger systemets rörledningslängd.

Efter att ha fått de nödvändiga uppgifterna summeras de och man får systemets totala volym, som används i ytterligare beräkningar.

Steg och formler för hela beräkningscykeln för projektering och organisation av uppvärmning i ett privat hus finns här. Vi rekommenderar att du bekantar dig med den användbara informationen.

Val av expansionskärl enligt tabell

Om nödvändiga data finns tillgängliga kan det optimala alternativet för expansionskärl väljas enligt tabellen över volymer och beräkningstryck.

Systemets totala volym beräknas enligt den angivna metoden, tryckparametrar är endast relevanta för slutna modeller och anges i utrustningens specifikationsdata.

Data från tabellen gör det möjligt att välja expansionskärlets volym från 4 till 300 liter

Detta alternativ kräver inga speciella beräkningar förutom att beräkna systemets totala volym. Användning av tabellen underlättar och påskyndar valet av expansionskärl med erforderlig tankkapacitet avsevärt.

Användning av formler för beräkning

Om tabellens data inte räcker till kan du själv beräkna den nödvändiga volymen för behållaren.

För detta använder du följande formel:

Vb = Vc x k/D,

där:

• Vb – betecknar den sökta volymen för expansionskärlet;
• Vc – systemets totala volym;
• k – vätskans expansionskoefficient vid uppvärmning;
• D – expansionskärlets effektivitetskoefficient.

Av de data som krävs för beräkningen är koefficienterna k och D okända. Den första är ett tabellvärde, och den andra beräknar du med en separat formel.

Det finns också en tabell för temperaturutvidgning som du kan använda. Den gör det möjligt för dig att bestämma koefficienten för system med vatten eller frostskyddsvätska. Värdet är inte linjärt, det ändras vid uppvärmning beroende på förekomst och koncentration av glykol i vätskan.

Med hjälp av dessa data kan du bestämma parametrarna för vätskans expansionskoefficient vid uppvärmning (k), som behövs för att beräkna volymen på expansionskärlet.

För vatten antar du att etylenglykolkoncentrationen är «0», för frostskyddsvätska bestämmer du koncentrationen enligt tillverkarens uppgifter. Uppvärmningstemperaturen anser du vara driftstemperaturen för det specifika systemet.

För att själv beräkna expansionskärlets effektivitetskoefficient använder du följande formel:

(Qm – Qb) : (Qm + 1),

där:

• Qm – systemets maximala tryck enligt säkerhetsventilens nominella utlösningströskel;
• Qb – förinställt tryck i expansionskärlets luftkammare enligt databladet.

Om den sista parametern är okänd mäter du den vid pumpning eller genom avluftning via kärlets ventilnippel.

Andra beräkningsmetoder

Förutom att du räknar själv med formler och tabeller finns det alternativa metoder. Ett tillgängligt alternativ är att använda en online-kalkylator.

Det finns ingen brist på webbresurser som erbjuder online-beräkning av den sökta storheten. Du hittar dem enkelt via en sökfråga.

Ett annat alternativ för att få önskade data är att vända sig till professionella konstruktörer. Detta är den mest pålitliga metoden, men noggrannheten i den information du får kommer att kosta ganska mycket.

Reglerna för installation och anslutning av expansionskärl av sluten och öppen typ beskrivs i nästa artikel, som handlar om dessa frågor.

Hur du väljer rätt expansionskärl?

Det rekommenderas att du bestämmer typ av värmesystem redan i planeringsstadiet. Du skjuter vanligtvis upp valet av kärl till efter att byggnadsskalet är uppfört, när systemet är installerat och dess volym är känd.

När du väljer det optimala expansionskärlet rekommenderar vi:

• att välja ett slutet expansionskärl med en volym som överstiger värmebärarens temperaturutvidgning;
• vid köp bör man vara uppmärksam på anslutning, kärlets form och placering av anslutningar för fästelement – detta undviker överraskningar under installationen;
• det är viktigt att uppmärksamma instruktionen på höljet, som innehåller användbar information om installation och tekniska parametrar.

Vid köp är det bättre att luta sig mot en beprövad tillverkare, även om deras tankar kostar mer. Detta är en garanti för värmesystemets livslängd, dock under förutsättning av korrekt drift och regelbundet underhåll.

Före anslutning ställs förhandstrycket i gasfacket på membrankärlet in på ett värde som motsvarar det statiska trycket från värmeöverföringsmedlets pelare i värmekretsen. Inställningen görs med en vanlig bilpump och övervakas med en manometer.

Det viktigaste är att inte köpa en pannbehållare till värmesystemet – de är helt olika i sina tekniska egenskaper

Man får inte blanda ihop expansionskärl för värmesystem och hydroackumulatorer för kallvattenledningar. De skiljer sig i utseende och konstruktion. De första är rödmålade och vanligtvis ej demonterbara, de andra är blå och försedda med en löstagbar fläns för membranreparation.

Slutsatser och användbar video om ämnet

Videon hjälper dig att bestämma parametrarna för expansionskärlet i sluten modell samt förstå skillnaderna mellan tankar för värme och pannsystem:

Arbetsprincip och val av kärl i videon:

Värmesystemet i ett privat hus kan utföras enligt öppen eller sluten design, vilket kräver installation av ett expansionskärl av lämplig konstruktion. Nyckelfaktorn för dess funktion är volymen, som kan beräknas själv eller lämnas till professionella konstruktörer.

Väl avvägd utrustning hjälper till att bibehålla rätt vätskevolym i ett öppet system och i ett tätt värmesystem upprätthåller det arbetstrycket.

Skriv gärna kommentarer i blocket nedan. Dela med dig av dina egna erfarenheter av att montera värmekretsar med expansionskärl och information som är användbar för besökare på webbplatsen. Ställ frågor, publicera bilder om artikelns ämne.