Ausdehnungsgefäße sind ein notwendiger Bestandteil aller geschlossenen Hydroniksysteme, um sowohl den Mindest- als auch den Höchstdruck im gesamten System zu steuern. Ausdehnungsgefäße werden in geschlossenen Hydroniksystemen bereitgestellt, um (1) Änderungen des Systemwasservolumens zu akzeptieren, wenn sich die Wasserdichte mit der Temperatur ändert, um den Systemdruck unter den Drucknenngrenzen der Geräte und Rohrleitungssystemkomponenten zu halten. Außerdem (2) einen Überdruck in allen Teilen des Systems aufrechterhalten, um zu verhindern, dass Luft in das System eindringt. (3) Halten Sie in allen Teilen des Systems einen ausreichenden Druck aufrecht, um ein Sieden zu verhindern, einschließlich Kavitation an Steuerventilen und ähnlichen Verengungen. (4) Aufrechterhaltung der erforderlichen positiven Saughöhe (NPSHR) an der Ansaugung der Pumpen.
Die beiden letztgenannten Punkte gelten im Allgemeinen nur für Heißwassersysteme mit hoher Temperatur (größer als ungefähr 210 °F [99 °C]). Für die meisten HLK-Anwendungen müssen nur die ersten beiden Punkte berücksichtigt werden.
Panzerstile
Es gibt vier grundlegende Arten von Ausdehnungsgefäßen:
Belüftete oder offene Stahltanks
Da sie entlüftet sind, müssen offene Tanks am höchsten Punkt der Anlage platziert werden. Die Wassertemperatur darf nicht über 100 °C (212 °F) liegen, und der Kontakt zwischen offener Luft und Wasser führt zu einer ständigen Luftmigration in das System, was zu Korrosion führt. Dementsprechend wird dieses Design fast nie mehr verwendet.
Geschlossene Stahltanks
Von einigen Herstellern auch als Normalstahltanks oder Kompressionstanks bezeichnet.
Dies ist der gleiche Tankstil wie der belüftete Tank, aber mit verschlossener Entlüftung. Dadurch kann der Tank überall im System platziert werden und mit höheren Temperaturen arbeiten. Aber sie haben immer noch den Luft-Wasser-Kontakt, der Korrosion ermöglicht, und manchmal einen allmählichen Luftverlust aus dem Tank, wenn sie vom Wasser absorbiert wird.
Sofern nicht vor dem Anschluss an das System auf den Mindestbetriebsdruck vorgefüllt, muss dieser Tanktyp auch größer sein als vorgefüllte Tanks. Dementsprechend wird dieses Design auch fast nicht mehr verwendet.
Membrantanks
Dies war das erste Design eines Kompressionstanks, der eine Luft-Wasser-Barriere (eine flexible Membran, um Luftmigration zu verhindern) enthielt und der für die Vorbefüllung ausgelegt war (um die Tankgröße zu reduzieren). Die flexible Membran ist typischerweise an der Seite des Tanks in der Nähe der Mitte angebracht und kann nicht vor Ort ausgetauscht werden; Bei Membranbruch muss der Tank ausgetauscht werden.
Blasentanks
Blasentanks verwenden eine ballonartige Blase, um das expandierte Wasser aufzunehmen. Blasen sind oft für das gesamte Tankvolumen dimensioniert, sogenannte „Full Acceptance“-Blasen, um Schäden an der Blase zu vermeiden, falls sie durchnässt werden. Blasen sind im Allgemeinen vor Ort austauschbar. Dies ist heute die häufigste Art von großen kommerziellen Ausdehnungsgefäßen.
Größenformeln
Die allgemeine Formel für die Dimensionierung von Tanks, Gleichung 1 (mit angepassten Variablennamen, um mit denen in diesem Artikel übereinzustimmen), basiert auf Grundprinzipien unter Annahme perfekter Gasgesetze:
`V_(t)=(V_(s)(E_(w)-E_(p)))/((P_(s)T_(c))/(P_(i)T_(s))-(P_( s)T_(h))/(P_(max)T_(s))-E_(wt)[1-(P_(s)T_(c))/(P_(max)T_(s))]+E_ (t))-0,02 V_(s)'Woher
V.t = Tankgesamtvolumen
V.s = Systemlautstärke
P.s = Anfangsdruck, wenn Wasser zum ersten Mal in den Tank eintritt, absolut
P.ich = Anfangsdruck (Vorfülldruck), absolut
P.max = maximaler Druck, absolut
E.w = Einheitsausdehnungsverhältnis des Wassers im System aufgrund des Temperaturanstiegs = (νh/νc-1)
vh = das spezifische Wasservolumen bei der maximalen Temperatur, Th.
vc = das spezifische Wasservolumen bei der Mindesttemperatur Tc .
E.p = Einheitsausdehnungsverhältnis der Rohrleitungen und anderer Systemkomponenten im System aufgrund des Temperaturanstiegs = 3α(Th-Tc )
α = Ausdehnungskoeffizient von Rohrleitungen und anderen Systemkomponenten, pro Grad
T.h = maximale durchschnittliche Wassertemperatur im System, Grad absolut
T.c = minimale durchschnittliche Wassertemperatur im System, Grad absolut
T.s = Anfangslufttemperatur im Tank vor dem Befüllen, Grad absolut
E.Gew = Einheitsausdehnungsverhältnis des Wassers im Tank aufgrund des Temperaturanstiegs
E.t = Ausdehnungsverhältnis der Einheit des Ausdehnungsgefäßes aufgrund des Temperaturanstiegs
Der letzte Term (0,02 Vs) berücksichtigt zusätzliche Luft aus der Desorption von gelöster Luft im Wasser. Diese Gleichung lässt sich vereinfachen zu Gleichung unten indem man kleine Terme ignoriert und annimmt, dass die Tanktemperatur nahe der anfänglichen Fülltemperatur bleibt (normalerweise eine gute Annahme, vorausgesetzt, dass der Tank oder die Rohrleitungen nicht isoliert sind, was eine übliche und empfohlene Praxis ist):
`V_(t)=(V_(s)[((v_(h))/(v_(c))-1)-3alpha(T_(h)-T_(c))])/((P_(s ))/(P_(i))-(P_(s))/(P_(max)))`Diese Gleichung beinhaltet die Gutschrift für die Erweiterung des Rohrleitungssystems. Dieser Term ist ebenfalls relativ klein und die Ausdehnungskoeffizienten sind angesichts der verschiedenen Materialien im System schwer zu bestimmen, aber er ist in der obigen Gleichung enthalten, da er in den Dimensionierungsgleichungen des ASHRAE-Handbuchs enthalten ist. Dieser Begriff ist auch in der Auswahlsoftware einiger, aber nicht der meisten Hersteller von Ausdehnungsgefäßen enthalten. Die meisten Hersteller ignorieren diesen Term konservativ, da er klein und nicht größer als die Terme ist, die bereits in der obigen Gleichung ignoriert wurden. Das Ignorieren dieses Begriffs führt zu folgender Gleichung:
`V_(t)=(((v_(h))/(v_(c))-1)V_(s))/((P_(s))/(P_(i))-(P_(s) )/(P_(max)))`Der Zähler ist das Volumen des expandierten Wassers Ve , wenn es sich von minimalen auf maximale Temperaturen erwärmt, sodass die Gleichung geschrieben werden kann:
`V_(t)=(V_(e))/((P_(s))/(P_(i))-(P_(s))/(P_(max)))`Wo:
`V_(e)=(v_(h)//v_(c)-1)V_(s)`Die Gleichung kann basierend auf der Art des verwendeten Tanks weiter vereinfacht werden.
Belüfteter Tank
Bei belüfteten Tanks sind die Drücke alle gleich und der Dominator ist auf 1 begrenzt, sodass die Tankgröße einfach das Volumen des expandierten Wassers ist:
`V_(t)=V_(e)`Geschlossener Tank (keine Vorladung)
Bei unbelüfteten Stahltanks ist der Anfangsdruck typischerweise atmosphärischer Druck bei leerem Tank (keine Vorfüllung). Der Tank wird dann mit dem Zusatzwasser verbunden, das den Tank auf den Fülldruck setzt, indem Luft im System verdrängt wird, wodurch im Wesentlichen ein Teil des Tankvolumens verschwendet wird. Die Größengleichung lautet also:
`V_(l)=(V_(e))/((P_(a))/(P_(i))-(P_(a))/(P_(max)))`Wo, pein = atmosphärischer Druck
Vorgeladener Tank
Für alle Tanks, die auf den erforderlichen Anfangsdruck vorgefüllt sind, einschließlich ordnungsgemäß gefüllter Membran- und Blasentanks, aber auch geschlossener Tanks aus unlegiertem Stahl, falls vorgefüllt, Ps ist gleich Pich Die Größengleichung reduziert sich also auf:
`V_(t)=(V_(e))/(1-(P_(i))/(P_(max)))`Beachten Sie, dass diese Gleichung nur gilt, wenn der Tank auf das erforderliche P vorgefüllt istich . Die Tanks werden werkseitig mit einer Standardvorfüllung von 12 psig (83 kPag) befüllt.
Geschlossener Tank
Für höhere gewünschte Vordrücke kann entweder eine Sonderbestellung ab Werk erfolgen oder der Auftragnehmer muss den Druck mit Druckluft oder einer Handpumpe erhöhen. Aber das wird nicht selten übersehen. Dieses Versehen kann kompensiert werden, indem der Tank unter Verwendung der folgenden Gleichung dimensioniert wird (unter der Annahme eines atmosphärischen Drucks auf Meereshöhe):
`V_(t)=(V_(e))/((26,7)/(P_(i))-(26,7)/(P_(max)))`(12 psig/26,7 psia [83 kPag/184 kPaa] Vorladung). Dadurch erhöht sich die Tankgröße im Vergleich zu einem richtig vorbefüllten Tank.
ASME Boiler and Pressure Vessel Code-2015, Abschnitt VI
ASME Boiler and Pressure Vessel Code-2015, Abschnitt VI, enthält Dimensionierungsgleichungen (ebenso wie UMC und IMC, die die Gleichungen wörtlich extrahieren), wie in der folgenden Gleichung gezeigt, mit Variablen, die überarbeitet wurden, um mit den in diesem Artikel verwendeten übereinzustimmen:
`V_(t)=(V_(s)(0.00041T_(h)-0.0466))/((P_(a))/(P_(i))-(P_(a))/(P_(max)) )`Vergleicht man den Nenner dieser Gleichung mit der Gleichung für einen geschlossenen Tank (keine Vorladung), ist diese Formel eindeutig für die Dimensionierung eines nicht vorgefüllten Tanks; es wird die Größe eines vorgeladenen Tanks überschätzen. Der Zähler ist eine Kurvenanpassung von Ve ; Es geht von einer Mindesttemperatur von 18 °C (65 °F) aus und ist nur im Bereich von etwa 77 °C bis 110 °C (170 °F bis 230 °F) durchschnittliche Betriebstemperatur genau. Daher kann diese Gleichung nicht für Heißwasser mit sehr hoher Temperatur (z. B. 177 °C [350 °F]), Kondensatorwasser mit geschlossenem Kreislauf oder Kaltwassersysteme verwendet werden.
Autor: Steven T. Taylor, PE
