عندما يتم تسخين الماء ، يتمدد. إذا حدث هذا التمدد في نظام مغلق ، يمكن إنشاء ضغوط مياه خطيرة. يمكن أن يكون نظام الماء الساخن المنزلي نظامًا مغلقًا عندما يتم إغلاق تركيبات الماء الساخن ويكون لأنابيب إمداد الماء البارد مانعات عكسية أو أي جهاز آخر يمكنه عزل نظام الماء الساخن المنزلي عن بقية إمدادات المياه المنزلية.
يمكن أن ترتفع هذه الضغوط بسرعة إلى النقطة التي ينقطع عندها صمام التنفيس الموجود في سخان المياه ، وبالتالي يخفف الضغط ، ولكن في نفس الوقت يهدد سلامة صمام التنفيس.
إن صمام التنفيس المثبت على سخان المياه ليس صمام تحكم ، بل هو صمام أمان. إنه غير مصمم أو مخصص للاستخدام المستمر. يمكن أن تؤدي الضغوط المفرطة المتكررة إلى تعطل المعدات والأنابيب وإصابة شخصية.
عند الحجم المناسب ، يوفر خزان التمدد المتصل بالنظام المغلق حجمًا إضافيًا للنظام لتوسيع المياه مع ضمان أقصى ضغط مرغوب في نظام الماء الساخن المحلي. يقوم بذلك عن طريق استخدام وسادة هوائية مضغوطة (الشكل أدناه). توضح المناقشة التالية كيفية تحديد حجم خزان التمدد لنظام الماء الساخن المنزلي والنظرية الكامنة وراء التصميم والحسابات. يعتمد على استخدام خزان التمدد من نوع المثانة أو الحجاب الحاجز ، وهو النوع الأكثر استخدامًا في صناعة السباكة. لا يسمح هذا النوع من خزان التمدد بتلامس الماء والهواء مع بعضهما البعض.
التوسع في المياه
رطل من الماء عند 140 درجة فهرنهايت له حجم أكبر من نفس باوند من الماء عند 40 درجة فهرنهايت. بعبارة أخرى ، يزداد الحجم المحدد للماء مع زيادة درجة الحرارة.
إذا كان حجم الماء عند درجة حرارة معينة معروفًا ، فيمكن حساب تمدد الماء على النحو التالي:
Where:
- Vew = تمدد الماء ، جالون
- ضد1 = حجم نظام الماء عند درجة حرارة 1 جالون
- ضد2 = حجم نظام الماء عند درجة حرارة 2 جالون
| درجة الحرارة ، ∘ فهرنهايت | حجم معين ، قدم3/رطل |
| 40 | 0.01602 |
| 50 | 0.01602 |
| 60 | 0.01604 |
| 70 | 0.01605 |
| 80 | 0.01607 |
| 90 | 0.01610 |
| 100 | 0.01613 |
| 110 | 0.01617 |
| 120 | 0.01620 |
| 130 | 0.01625 |
| 140 | 0.01629 |
| 150 | 0.01634 |
| 160 | 0.01639 |
ضد1 هو حجم النظام الأولي ويمكن تحديده عن طريق حساب حجم نظام الماء الساخن المنزلي. يستلزم ذلك إضافة حجم معدات تسخين المياه إلى حجم الأنابيب وأي جزء آخر من نظام الماء الساخن.
ضد2 هو الحجم الموسع للنظام للمياه عند درجة حرارة الماء الساخن التصميم. ضد2 يمكن التعبير عنها من حيث Vs1. للقيام بذلك ، انظر إلى وزن الماء في كلتا الحالتين.
الوزن (دبليو) من الماء عند درجة حرارة 1 (T.1) يساوي وزن الماء عند T.2أو دبليو1 = دبليو2. في T1، دبليو1 = مقابل1/ vsp1، وبالمثل في T2، دبليو2 = مقابل2/ vsp2، حيث vsp يساوي الحجم المحدد للماء عند ظروف درجة الحرارة. (انظر الجدول أعلاه للحصول على بيانات حجم معين.)
منذ W1 = دبليو2، ومن بعد:
حل مقابل2:
مثال 1:
يحتوي نظام الماء الساخن المنزلي على 1000 جالون من الماء. كم سيتمدد 1000 جالون من درجة حرارة 40 درجة فهرنهايت إلى درجة حرارة 140 درجة فهرنهايت؟
من الجدول أعلاه ، vsp1 = 0.01602 (عند 40 درجة فهرنهايت) و vsp2 = 0.01629 (عند 140 درجة فهرنهايت). استخدام المعادلة:
لاحظ أن هذا هو مقدار تمدد الماء ويجب عدم الخلط بينه وبين حجم خزان التمدد المطلوب.
التوسع في المواد
هل سيستقبل خزان التمدد كل تمدد الماء؟
الجواب هو لا، ليس فقط الماء آخذ في التوسع. تتوسع الأنابيب ومعدات تسخين المياه مع زيادة درجة الحرارة أيضًا. ينتج عن أي تمدد لهذه المواد تقليل تمدد الماء الذي يستقبله خزان التمدد. طريقة أخرى للنظر إليها هي كما يلي:
Venet = Vew - Vemat
- البندقية = التمدد الصافي للمياه التي يستقبلها خزان التمدد ، جالون
- Vew = تمدد ماء جالون
- فيمات = تمدد المادة ، جالون
لتحديد مقدار التمدد الذي تتعرض له كل مادة لكل تغيير معين في درجة الحرارة ، انظر إلى معامل التمدد الطولي لتلك المادة.
بالنسبة للنحاس ، يكون معامل التمدد الخطي 9.5 × 10–6 بوصة / بوصة / درجة فهرنهايت ، وللصلب 6.5 × 10–6 بوصة / بوصة / درجة فهرنهايت.
من معامل التمدد الخطي ، يمكن تحديد معامل التمدد الحجمي للمادة. معامل التمدد الحجمي ثلاثة أضعاف معامل التمدد الخطي:
ß = 3α
ß = معامل التمدد الحجمي
α = معامل التمدد الخطي
وبالتالي ، فإن المعامل الحجمي للنحاس هو 28.5 × 10–6 جالون / جالون / درجة فهرنهايت ، وللصلب 19.5 × 10–6 جالون / جالون / درجة فهرنهايت. ستتمدد المادة بشكل متناسب مع زيادة درجة الحرارة.
الفمات = فمات × ß (T2 - T1)
البندقية = الندى - [فمات1× ß1 (ت2 - ت1) + فمات2× ß2 (ت2 - ت1)]
الحجم الاسمي للأنابيب
| حجم الأنبوب ، جالون / قدم خطي للأنبوب | |
| حجم الأنبوب ، بوصة. | 0.02 0.02 0.02 |
| 1/2 1/2 1 // 2 | 0.03 0.03 0.03 |
| 3/4/3/4/3 // 4 | 0.04 0.04 0.04 |
| 1 | 0.07 0.07 0.07 |
| 11/4 11/4 11 // 4 | 0.10 0.10 0.10 |
| 11/2 11/2 11 // 2 | 0.17 0.17 0.17 |
| 2 | 0.25 0.25 0.25 |
| 21/2 21/2 21 // 2 | 0.38 0.38 0.38 |
| 3 | 0.67 0.67 0.67 |
| 4 | 1.50 1.50 1.50 |
| 6 | 2.70 2.70 2.70 |
| 8 |
المثال 2:
يحتوي نظام الماء الساخن المنزلي على سخان مياه مصنوع من الفولاذ بحجم 900 جالون. يحتوي على 100 قدم من الأنابيب مقاس 4 بوصات ، و 100 قدم من الأنابيب مقاس 2 بوصة ، و 100 قدم من الأنابيب 1½ بوصة ، و 300 قدم من الأنابيب ½ بوصة. كل الأنابيب من النحاس. بافتراض أن درجة الحرارة الأولية للماء هي 40 درجة فهرنهايت ودرجة الحرارة النهائية للماء 140 درجة فهرنهايت ، (1) كم ستتوسع كل مادة، و 2) ما هو صافي تمدد الماء الذي سيشهده خزان التمدد?
استخدام المعادلة فيمات للصلب (المادة رقم 1) ، فمات1 = 900 جالون وفيمات1 = 900 (19.5 × 10–6) (140-40) = 1.8 جالون. بالنسبة للنحاس (المادة رقم 2) ، انظر أولاً إلى الجدول أعلاه لتحديد حجم كل حجم من الأنابيب:
- 4 بوصات = 100 × 0.67 = 67 جالونًا
- 2 بوصة = 100 × 0.17 = 17 جالونًا
- 1½ بوصة = 100 × 0.10 = 10 جالون
- ½ بوصة = 300 × 0.02 = 6 جالون
الحجم الإجمالي لأنابيب النحاس = 100 جالون باستخدام المعادلة فيمات للنحاس فمات2 = 100 جالون وفيمات2 = 100 (28.5 × 10–6) (140-40) = 0.3 جالون.
حجم النظام الأولي للمياه (Vs1) يساوي فمات1 + فمات2، أو 900 جالون + 100 جالون. من المثال الأخير، 1000 جالون من الماء ينتقل من 40 درجة فهرنهايت إلى 140 درجة فهرنهايت يوسع 16.9 جالون. وهكذا ، باستخدام المعادلة البندقية، البندقية = 16.9 - (1.8 + 0.03) = 15 جالونًا. هذا هو المقدار الصافي للتوسع المائي الذي سيشهده خزان التمدد. مرة أخرى ، لاحظ أن هذا ليس حجم خزان التمدد المطلوب.
قانون بويل
بعد تحديد مقدار تمدد الماء الذي سيشاهده خزان التمدد ، حان الوقت للنظر في كيفية سماح وسادة الهواء في خزان التمدد للمصمم بالحد من ضغط النظام.
ينص قانون بويل على أنه عند درجة حرارة ثابتة ، فإن الحجم الذي يشغله وزن معين من الغاز المثالي (بما في ذلك للأغراض العملية الهواء الجوي) يتغير عكسياً مثل الضغط المطلق (مقياس الضغط + الضغط الجوي). يعبر عنها بما يلي:
ص1الخامس1 = ص2الخامس2
أين
- ص1 = ضغط الهواء الأولي ، رطل لكل بوصة مربعة مطلقة (psia)
- الخامس1 = الحجم الأولي للهواء ، جالون
- ص2 = ضغط الهواء النهائي ، psia
- الخامس2 = الحجم النهائي للهواء ، جالون
كيف يرتبط هذا القانون بتحديد حجم خزانات التمدد في أنظمة المياه الساخنة المنزلية؟
توفر الوسادة الهوائية الموجودة في خزان التمدد مساحة يمكن للمياه الممتدة أن تذهب إليها. يقل حجم الهواء في الخزان مع تمدد الماء ودخوله. مع انخفاض حجم الهواء ، يزداد ضغط الهواء.
باستخدام قانون بويل ، يجب أن يعتمد الحجم الأولي للهواء (أي حجم خزان التمدد) على:
- ضغط الماء الأولي ،
- الحد الأقصى المطلوب لضغط الماء ، و
- تغيير في الحجم الأولي للهواء.
لاستخدام المعادلة أعلاه ، عليك أن تدرك أن ضغط الهواء يساوي ضغط الماء في كل حالة ، وافترض أن درجة حرارة الهواء تظل ثابتة في الحالة 1 والحالة 2 في الشكل أعلاه.
هذا الافتراض دقيق بشكل معقول إذا تم تركيب خزان التمدد على جانب الماء البارد لسخان المياه. تذكر ، في تحديد حجم خزان التمدد ، يقوم المصمم بتحديد حجم خزان الهواء ، وليس خزان الماء.
بالإشارة إلى الشكل أعلاه ، في الحالة 1 ، شحنة ضغط الهواء الأولية للخزان ، P1، يساوي ضغط الماء الوارد على الجانب الآخر من الحجاب الحاجز. الحجم الأولي للهواء في الخزان ، V.1، هو أيضًا حجم خزان التمدد. الحجم النهائي للهواء في الخزان ، V.2، يمكن أيضًا التعبير عنها كـ V.1 أقل التوسع الصافي للمياه (فينيس).
ضغط الهواء في الحالة 2 ، ص2، هو نفس ضغط الضغط الأقصى المطلوب لنظام الماء الساخن المنزلي عند درجة الحرارة النهائية ، T2. ص2 يجب أن يكون دائمًا أقل من إعداد صمام التنفيس في سخان المياه.
الاستفادة من قانون بويل:
- الخامس1 = حجم خزان التمدد المطلوب للحفاظ على ضغط النظام المطلوب ، P2 ، جالون
- Venet = التمدد الصافي للمياه ، جالون P1 = ضغط الماء الوارد ، psia (ملاحظة: الضغط المطلق هو مقياس الضغط بالإضافة إلى الضغط الجوي ، أو 50 رطل لكل بوصة مربعة = 64.7 رطل / بوصة مربعة.)
- P2 = أقصى ضغط مطلوب للماء ، psia
المثال 3:
إذا نظرنا مرة أخرى إلى نظام الماء الساخن المنزلي الموصوف في مثال 2، إذا كان ضغط إمداد الماء البارد 50 رطل لكل بوصة مربعة وكان الحد الأقصى لضغط الماء المطلوب هو 110 رطل لكل بوصة مربعة ، فما حجم خزان التمدد المطلوب؟
مثال 2 قرر أن البندقية تساوي 15 جالونًا. تحويل الضغوط المعطاة إلى المعادلات المطلقة والاستفادة منها الموضحة أعلاه ، يمكن تحديد حجم خزان التمدد المطلوب على النحو التالي:
ملاحظة: عند اختيار خزان التمدد ، تأكد من أن الحجاب الحاجز أو المثانة للخزان يمكن أن تقبل 15 جالونًا من الماء (Venet).
