وقتی آب گرم می شود، منبسط می شود. اگر این انبساط در یک سیستم بسته رخ دهد، فشارهای آب خطرناکی ایجاد می شود. یک سیستم آب گرم خانگی زمانی می تواند یک سیستم بسته باشد که وسایل آب گرم بسته باشند و لوله های تامین آب سرد دارای بازدارنده جریان برگشتی یا هر وسیله دیگری باشد که بتواند سیستم آب گرم خانگی را از بقیه منبع آب خانگی جدا کند.
این فشارها می توانند به سرعت به نقطه ای برسند که دریچه تسکین دهنده روی آبگرمکن از حالت نشسته خارج شود، بنابراین فشار کاهش می یابد، اما در عین حال یکپارچگی شیر تخلیه را به خطر می اندازد.
شیر تسکین نصب شده روی آبگرمکن یک شیر کنترلی نیست، بلکه یک شیر اطمینان است. برای استفاده مداوم طراحی یا در نظر گرفته نشده است. فشار بیش از حد مکرر می تواند منجر به خرابی تجهیزات و لوله و آسیب شخصی شود.
هنگامی که اندازه مناسبی داشته باشد، یک مخزن انبساط متصل به سیستم بسته، حجم سیستم اضافی را برای انبساط آب فراهم می کند و در عین حال حداکثر فشار مطلوب را در یک سیستم آب گرم خانگی تضمین می کند. این کار را با استفاده از یک بالشتک تحت فشار هوا انجام می دهد (شکل زیر). بحث زیر نحوه اندازه گیری مخزن انبساط برای سیستم آب گرم خانگی و تئوری طراحی و محاسبات را توضیح می دهد. این بر اساس استفاده از مخزن انبساط دیافراگمی یا مثانه ای است که بیشترین استفاده را در صنعت لوله کشی دارد. این نوع مخزن انبساط اجازه نمی دهد که آب و هوا با یکدیگر تماس داشته باشند.
انبساط آب
یک پوند آب در 140 درجه فارنهایت حجم بیشتری نسبت به همان پوند آب در 40 درجه فارنهایت دارد. به بیان دیگر، حجم ویژه آب با افزایش دما افزایش می یابد.
اگر حجم آب در یک شرایط دمایی مشخص مشخص باشد، انبساط آب را می توان به صورت زیر محاسبه کرد:
جایی که:
- وو = انبساط آب، گالن
- در مقابل1 = حجم سیستم آب در دمای 1، گالن
- در مقابل2 = حجم سیستم آب در دمای 2 گالن
| دما، ∘ F | حجم خاص، فوت3/پوند |
| 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 |
در مقابل1 حجم اولیه سیستم است و با محاسبه حجم سیستم آب گرم خانگی قابل تعیین است. این امر مستلزم افزودن حجم تجهیزات گرمایش آب به حجم لوله کشی و هر بخش دیگر از سیستم آب گرم است.
در مقابل2 حجم آب منبسط شده سیستم در دمای آب گرم طراحی شده است. در مقابل2 را می توان بر حسب Vs بیان کرد1. برای انجام این کار، در هر دو شرایط به وزن آب نگاه کنید.
وزن (دبلیو) آب در دمای 1 (T1) برابر وزن آب در T است2، یا W1 = دبلیو2. در تی1، دبلیو1 = در مقابل1/vsp1و به طور مشابه در T2، دبلیو2 = در مقابل2/vsp2، که در آن vsp برابر با حجم ویژه آب در دو شرایط دمایی است. (برای اطلاعات حجم خاص به جدول بالا مراجعه کنید.)
از آنجایی که W1 = دبلیو2، سپس:
حل برای Vs2:
مثال 1:
یک سیستم آب گرم خانگی 1000 گالن آب دارد. 1000 گالن چقدر از دمای 40 درجه فارنهایت به دمای 140 درجه فارنهایت منبسط می شود؟
از جدول بالا، vsp1 = 0.01602 (در 40 درجه فارنهایت) و vsp2 = 0.01629 (در 140 درجه فارنهایت). استفاده از معادله:
توجه داشته باشید که این میزان انبساط آب است و نباید آن را با اندازه مخزن انبساط مورد نیاز اشتباه گرفت.
گسترش مواد
آیا مخزن انبساط تمام انبساط آب را دریافت خواهد کرد؟
پاسخ این است نه، زیرا نه تنها آب در حال گسترش است. لوله کشی و تجهیزات گرمایش آب نیز با افزایش دما منبسط می شوند. هر گونه انبساط این مواد منجر به دریافت کمتر انبساط آب توسط مخزن انبساط می شود. نگاه دیگر به آن به شرح زیر است:
Venet = وو – Vemat
- ونت = انبساط خالص آب دریافتی توسط مخزن انبساط، گالن
- وو = انبساط آب، گالن
- Vemat = گسترش مواد، گالن
برای تعیین میزان انبساط که هر ماده در هر تغییر دما تجربه می کند، به این نگاه کنید ضریب انبساط خطی برای آن ماده
برای مس، ضریب انبساط خطی 9.5 × 10 است-6 اینچ / اینچ / درجه فارنهایت و برای فولاد 6.5 × 10 است-6 اینچ/اینچ/درجه فارنهایت
از ضریب انبساط خطی می توان ضریب انبساط حجمی یک ماده را تعیین کرد. ضریب انبساط حجمی سه برابر ضریب انبساط خطی است:
ß=3α
ß = ضریب انبساط حجمی
α = ضریب انبساط خطی
بنابراین، ضریب حجمی مس 28.5 × 10 است-6 گالن / گالن / درجه فارنهایت و برای فولاد 19.5 × 10 است-6 گالن/گالن/ درجه فارنهایت. مواد به طور متناسب با افزایش دما منبسط می شوند.
Vemat = Vmat × ß (T2 - T1)
Venet = وو – [Vmat1×ß1 (تی2 - تی1) + Vmat2×ß2 (تی2 - تی1)]
حجم اسمی لوله کشی
| حجم لوله، گال/ فوت خطی لوله | |
| اندازه لوله، در. | 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 |
مثال 2:
یک سیستم آب گرم خانگی دارای آبگرمکن فولادی با حجم 900 گالن می باشد. دارای 100 فوت لوله کشی 4 اینچی، 100 فوت لوله کشی 2 اینچی، 100 فوت لوله کشی 1 و نیم اینچی و 300 فوت لوله گذاری ½ اینچی. تمام لوله ها مسی هستند. با فرض اینکه دمای اولیه آب 40 درجه فارنهایت و دمای نهایی آب 140 درجه فارنهایت باشد، (1) هر ماده چقدر گسترش می یابد، و (2) انبساط خالص آب که یک مخزن انبساط خواهد دید چقدر است?
استفاده از معادله Vemat برای فولاد (مواد شماره 1)، Vmat1 = 900 گالن و Vemat1 = 900 (19.5 × 10-6) (140 - 40) = 1.8 گالن. برای مس (مواد شماره 2)، ابتدا به جدول بالا نگاه کنید تا حجم هر اندازه لوله را تعیین کنید:
- 4 اینچ = 100 x 0.67 = 67 گالن
- 2 اینچ = 100 x 0.17 = 17 گالن
- 1 ½ اینچ = 100 x 0.10 = 10 گالن
- ½ اینچ = 300 x 0.02 = 6 گالن
حجم کل لوله های مسی = 100 گالن با استفاده از معادله Vemat برای مس، Vmat2 = 100 گالن و Vemat2 = 100 (28.5 × 10-6) (140 - 40) = 0.3 گالن.
حجم اولیه سیستم آب (در مقابل1) برابر با Vmat است1 + Vmat2، یا 900 گالن + 100 گالن. از جانب آخرین نمونه1000 گالن آب که از 40 درجه فارنهایت به 140 درجه فارنهایت می رسد، 16.9 گالن منبسط می شود. بنابراین، با استفاده از معادله ونت، Venet = 16.9 – (1.8 + 0.03) = 15 گالن. این مقدار خالص انبساط آبی است که مخزن انبساط خواهد دید. یک بار دیگر، توجه داشته باشید که این اندازه به اندازه مخزن انبساط مورد نیاز نیست.
قانون بویل
پس از تعیین میزان انبساط آب که مخزن انبساط خواهد دید، زمان آن است که ببینیم چگونه بالشتک هوا در مخزن انبساط به طراح اجازه می دهد تا فشار سیستم را محدود کند.
قانون بویل بیان می کند که در دمای ثابت، حجم اشغال شده توسط وزن معینی از گاز کامل (از جمله برای اهداف عملی هوای اتمسفر) برعکس فشار مطلق (فشار گیج + فشار اتمسفر) تغییر می کند. با موارد زیر بیان می شود:
پ1V1 = پ2V2
جایی که
- پ1 = فشار هوای اولیه، پوند بر اینچ مربع مطلق (psia)
- V1 =حجم اولیه هوا، گالن
- پ2 =فشار نهایی هوا، psia
- V2 =حجم نهایی هوا، گالن
این قانون چه ارتباطی با اندازه مخازن انبساط در سیستم های آب گرم خانگی دارد؟
بالشتک هوا در مخزن انبساط فضایی را فراهم می کند که آب منبسط شده می تواند به داخل آن برود. حجم هوای مخزن با انبساط آب و ورود به مخزن کاهش می یابد. با کاهش حجم هوا، فشار هوا افزایش می یابد.
با استفاده از قانون بویل، حجم اولیه هوا (یعنی اندازه مخزن انبساط) باید بر اساس موارد زیر باشد:
- فشار اولیه آب،
- حداکثر فشار آب مورد نظر، و
- تغییر در حجم اولیه هوا.
برای استفاده از معادله بالا، متوجه شوید که فشار هوا برابر فشار آب در هر شرایط است و فرض کنید دمای هوا در شرایط 1 و شرایط 2 در شکل بالا ثابت می ماند.
اگر مخزن انبساط در سمت آب سرد آبگرمکن نصب شده باشد، این فرض به طور منطقی دقیق است. به یاد داشته باشید، در اندازه گیری یک مخزن انبساط، طراح به اندازه مخزن هوا است، نه مخزن آب.
با مراجعه به شکل بالا، در شرایط 1 شارژ فشار هوای اولیه مخزن، P1، برابر با فشار آب ورودی در طرف دیگر دیافراگم است. حجم اولیه هوای مخزن، V1، همچنین اندازه مخزن انبساط است. حجم نهایی هوای مخزن، V2، همچنین می تواند به صورت V بیان شود1 کمتر انبساط خالص آب (Venet).
فشار هوا در شرایط 2، P2، همان فشار حداکثر فشار مطلوب سیستم آب گرم خانگی در دمای نهایی T است2. پ2 همیشه باید کمتر از تنظیم شیر تخلیه روی آبگرمکن باشد.
استفاده از قانون بویل:
- V1 = اندازه مخزن انبساط مورد نیاز برای حفظ فشار سیستم مورد نظر، P2، گالن
- Venet= انبساط خالص آب، گالن P1 = فشار آب ورودی، psia (توجه: فشار مطلق فشار گیج به اضافه فشار اتمسفر یا 50 psig = 64.7 psia است.)
- P2 = حداکثر فشار مطلوب آب، psia
مثال 3:
نگاهی دوباره به سیستم آب گرم خانگی شرح داده شده در مثال 2، اگر فشار آب سرد 50 psig و حداکثر فشار آب مورد نظر 110 psig باشد، مخزن انبساط چه اندازه ای لازم است؟
مثال 2 مشخص کرد که Venet برابر با 15 گالن است. با تبدیل فشارهای داده شده به مطلق و با استفاده از معادلات شرح داده شده در بالا، اندازه مخزن انبساط مورد نیاز را می توان به صورت زیر تعیین کرد:
توجه: هنگام انتخاب مخزن انبساط، مطمئن شوید که دیافراگم یا مثانه مخزن می تواند 15 گالن آب (Venet) را بپذیرد.
