Второй основной тип баков — это баки для воды (гидроаккумуляторы). Это устройства, встраиваемые в поддерживающую давление гидросистему, обеспечивают постоянную готовность системы к работе под стабильным давлением. Гидроаккумулятор предотвращает необходимость включения насоса каждый раз, когда того требует система. Таким образом гидроаккумулятор поддерживает давление в системе, поставляя дополнительный объем воды в систему до требуемого уровня.

Также мембранные баки могут применяться для предотвращения разрушения системы от гидравлического удара. Это явление возникает в трубопроводах при внезапном отключении или включении насоса, быстром открытии или закрытии крана. Нагрузки могут многократно превышать статические и это может привести к разрушению трубопроводов, резьбовых соединений или сантехнических устройств. Чтобы избежать этого и учитывая, что объемные изменения при колебаниях давления небольшие, предлагается использовать расширительные баки небольшой емкости — 0,2 литра. Также баки могут использоваться и как емкости с огнегасящей жидкостью в системах пожаротушения, и как резервные баки в тех случаях, когда отключается электричество.

Внешне гидроаккумуляторы очень похожи на расширительные баки систем отопления. Однако назначение и условия эксплуатации у них другие, следовательно, есть и конструктивные отличия. Главные отличия заключаются в материале мембраны, а также особенностях расположения воздушной и водяной камер. В качестве материала для мембран гидроаккумуляторов используют пищевую резину. К материалу мембраны расширительных баков обычно не предъявляют таких высоких гигиенических и санитарных требований, поэтому возможно использование других материалов, о которых будет сказано позже.

Типы оборудования
В настоящее время в Европе абсолютное большинство систем выполнено по закрытому принципу. Однако в странах восточной Европы данная концепция получила распространение сравнительно недавно. В то время широко развивалось коллективное коммунальное хозяйство. К сожалению, наша промышленность даже в годы своего расцвета серьезно не занималась развитием инженерного оборудования для индивидуального дома. Поэтому сейчас это оборудование в основном импортное. В настоящий момент в Украине представлено большое количество гидро-аккумуляторов и расширительных баков различных зарубежных фирм — Reflex (Германия), Aquasystem, Zilmet, Varem, Elbi, CIMM (Италия) и некоторые другие. Все перечисленные выше производители выпускают качественную продукцию и внешне баки все очень похожи. Однако при выборе бака следует прежде всего руководствоваться не выбором фирмы и ценового диапазона, а назначением и условиями эксплуатации.

Конструктивно мембранные баки можно разделить на три типа оборудования. Прежде всего, баки с фиксированной (запрессованной) мембраной для бытовой установки и в небольших коммунальных системах. Традиционно используются в отопительных системах (Reflex, Aquasystem, Zilmet, Varem, Elbi, CIMM), однако существуют примеры использования и в системах водоснабжения (Zilmet, Hydro-Pro, WaterPro, Amtrol (США).

Мембрана — диафрагменная, несменная, жестко закреплена по периметру сечения бака. В одном объеме находится воздух, в другом — теплоноситель. Внешняя поверхность бака покрыта эмалью, а внутренняя поверхность, контактирующая с жидкостью, — эпоксидными влагостойкими красками. В первоначальном положении весь объем бака заполнен воздухом. Мембрана под воздействием давления воздуха прижата к внутренней поверхности бака. По мере увеличения температуры в системе объем жидкости увеличивается, давление возрастает и теплоноситель поступает в расширительный бак, отжимая мембрану. При этом воздух в противоположной камере бака сжимается.

Недостатком такой конструкции является невозможность замены мембраны в случае ее разрыва или повышенной влагопроницаемости. Однако в системах отопления при их нормальной работе максимальное расширение жидкости происходит только в момент пуска. В других случаях давление меняется плавно, без значительных скачков и колебаний. Поэтому рассматриваемые баки служат довольно долго. Необходимо только перед началом сезона отопления проверять наличие давления воздуха в баке. В отопительных системах большого объема желательно контролировать давление воздуха в расширительном баке с помощью стационарного манометра. Газ в расширительном баке может сжаться только до определенного значения, обусловленного безопасностью (прочностью) системы. В большинстве случаев этот порог достигается установкой предохранительного клапана, отрегулированного на определенное значение давления. В индивидуальных домах эта величина, как правило, составляет 3,5-4 бар.

Во-вторых, фланцевые баки со сменной мембраной, которая представляет собой продолговатую эластичную «грушу», реже «шар» (Reflex E). Широко используются как в системах отопления, так и водоснабжения. Отличительной особенностью этих баков является то, что жидкость в них целиком находится внутри мембраны и не контактирует с металлической поверхностью бака, следовательно, внутренняя поверхность бака не требует покрытия. Контактирующие с водой части бака выполняются из материалов со специальным покрытием или нержавеющей стали (Innox Pro (Zilmet), HI-NOX (Elbi)).

Баки бывают горизонтального и вертикального исполнения. Сразу необходимо отметить, что наиболее правильным расположением бака является такое, в каком мембрана при заполнении ее жидкостью нагружается симметрично, и тогда нет дополнительных растягивающих нагрузок, которые могут стать одной из причин разрыва мембраны. При повреждении мембраны ее замена производится через фланец, закрепленный с помощью нескольких болтов. При больших объемах расширительного бака мембрана этого типа закрепляется задним концом к ниппелю через резьбовое соединение для стабилизации заполнения.

И третья группа представляет собой управляемые компрессорами автоматические расширительные системы для использования в очень больших системах. Дело в том, что в больших системах прослеживается серьезный недостаток мембранных расширительных баков — их габариты. В среднем бак заполняется жидкостью всего на 30-60 %, причем меньшие значения приходятся как раз на баки больших объемов. Практически это означает, что на больших объектах, где расчетные объемы баков составляют несколько тысяч литров, серьезно встает проблема их размещения. Поэтому для больших объектовиспользуются специальные установки поддержания давления. Они представляют собой безнапорный расширительный бак и узел регулирования давления на основе насосов. При увеличении температуры системы открывается клапан, который набирает излишки теплоносителя из системы в бак, а при ее охлаждении вода из бака насосами закачивается обратно в систему. Таким образом, данные установки могут поддерживать давление в системе в достаточно узких, заранее заданных пределах. Кроме того, безнапорный бак может полностью заполняться теплоносителем, что делает установки поддержания в несколько раз компактнее обычных расширительных баков. Немаловажным является и то, что установки поддержания давления реализуют множество дополнительных функций: автоматическую подпитку системы, деаэрацию теплоносителя и т. д.

Критерии подбора оборудования
Мембрана является одним из основных элементов, влияющих на работоспособность и надежность системы. Именно назначение системы определяет выбор мембраны. Как уже было сказано раньше, внешне мембранные баки для системы отопления и водоснабжения очень похожи и зачастую этим пользуются недобросовестные продавцы, подсовывающие покупателю вместо гидроаккумулятора расширительный бак для отопления. А ведь именно правильный выбор мембраны на 90 % определяет
надежность и долговечность работы всей системы.

В системах отопления расширение жидкости, а следовательно, и нагружение мембраны происходит медленно, и в течение всего времени работы системы меняется незначительно. Однако температура эксплуатации может достигать +90 °С. Поэтому главным критерием для выбора материала мембраны для расширительного бака системы отопления является стойкость к температуре и долговечность.

В системах холодного водоснабжения влияние температуры не так важно, так как температура воды в системе не может превышать 30 °С. Главным является динамическая эластичность мембраны, т.к. система может включаться несколько раз в час и быстро нагружаться. При нормальной работе частота ее срабатывания составляет от 5 до 15 раз в час при правильно подобранном объеме гидроаккумулятора. Если объем подобран неправильно, эта величина может увеличиться и до 20-30 раз в час. Конечно, такой режим работы требует надежной, эластичной мембраны, выдерживающей большое количество циклов.
Если бак предназначен для резервирования воды, то необходимамембрана с максимальной эластичностью. Если баки предназначены для питьевой воды, то в конструкции баков применяют материалы, не нарушающие химические и органолептические качества воды. Такие баки должны сопровождаться сертификатом безопасности.

К сожалению, не бывает универсального материала мембран. Если материал эластичен, то он менее долговечен и плохо держит температуру или наоборот. Итак, вот основные моменты, на которые следует обратить внимание при выборе материала и типа мембраны:

• рабочий диапазон температур;
• санитарно-гигиенические требования (контакт воды с кожей при работе системы);
• динамичность работы системы;
• долговечность;
• стойкость к диффузии воды.

Tабл. 1 иллюстрирует наиболее распространенные материалы для изготовления мембран.


Сказав о выборе мембраны для баков в целом, хотелось бы перейти от теории к практике и рассказать о некоторых фактах, с которыми сталкиваются специалисты непосредственно при эксплуатации баков для систем водоснабжения. По мнению экспертов, самая распространенная поломка в гидроаккумуляторе — разрыв груши. Что же происходит в случае разрыва мембраны? Вода попадает в воздушную полость и контактирует со стенками бака. Конечно же, воду сливают, а мембрану меняют на новую. Однако, как правило, вследствие контакта воды со стенками бака происходит реакция окисления железа, вследствие чего начинается процесс коррозии, разрушающей стенки бака. Нужно обычно 3-4 года, прежде чем стенки бака полностью проржавеют и он придет в негодность. В этом случае обычно ссылаются на превышение максимально допустимого давления при закачке воздуха.

Однако если мастер утверждает, что все рабочие условия были соблюдены, то причину разрыва мембраны следует искать в другом. Как уже было сказано, мембрана гидроаккумулятора может быть сменная (в виде груши) и запрессованная (диафрагма), разделяющая бак на две части. Большинство производителей баков отмечают достоинства сменных мембран в возможности их замены, что заметно продлевает срок службы бака. Однако, как показывает практика, частота повреждения (разрыва) «мембранной груши» заметно выше, чем у диафрагмы. Это может быть вызвано неравномерностью распределения нагрузок вследствие давления воды по площади «груши». В результате максимальное натяжение приходится на нижнюю часть и «шейку» груши. В диафрагме давление воды распределяется
более равномерно по поверхности, что обеспечивает равномерность нагрузки, а следовательно, и натяжения. Кроме того, из-за невозможности замены диафрагмы она выполняется из более прочного материала, что также снижает вероятность повреждения.

Также многие специалисты отмечают, что на надежность бака в значительной степени влияет материал, из которого изготовлен корпус. Как правило, чем прочнее материал, тем он весит больше, а значит и прослужит дольше. Из этого можно сделать вывод, что баки, которые лучше, весят больше, а значит и стоят дороже.

Кроме того, важно правильно подобрать объем мембранных баков. Объем бака для системы отопления выбирается таким образом, чтобы даже при максимальном нагреве системы давление в ней не превышало максимально допустимого. Объем гидроаккумулятора рассчитывается исходя из оптимизации частоты включения подкачивающего насоса.

Выбор объема мембранных баков
Как уже было сказано, объем бака для системы отопления выбирается таким образом, чтобы даже при максимальном нагреве системы давление в ней не превышало максимально допустимого, то есть тепловое расширение теплоносителя не привело бы к увеличению давления в системе выше давления срабатывания предохранительного клапана. Рассчитать необходимый объем расширительного бака можно по формуле:

где Vn — номинальный объем расширительного бака;
Vе — объем, образующийся в результате теплового расширения. Этот объем рассчитывается как произведение полного объема системы на коэффициент расширения жидкости:

Если объем Vсист неизвестен, то его величину можно достаточно точно определить по мощности отопительного котла из расчета 1 кВт = 15 литрам.
Значение коэффициента n% для воды определяется из табл. 2, при температуре, равной максимальной рабочей температуре теплоносителя системы отопления.

Если в качестве теплоносителя используется этиленгликоль (тосол), то коэффициент расширения можно рассчитать по следующей формуле: для 10 %-го раствора этиленгликоля — 4% . 1,1 = 4,4 %;
для 20 %-го раствора этиленгликоля — 4% . 1,2 = 4,8 % и т. д.
Vv — водяной затвор, это объем теплоносителя, изначально образующийся в расширительном баке в результате статического давления системы отопления. Для расширительных баков с номинальным объемом до 15 литров, как минимум, 20 % их номинального объема следует принимать в качестве водяного затвора. Для расширительных баков емкостью более 15 литров, как минимум, 0,5 % полного объема системы, но не менее 3 литров.
P0 — предварительное давление, равно статическому давлению системы отопления (ее высоте), определяется из расчета 1 атм = 10 метров водяного столба.
Pe — окончательное давление — образуется в результате работы предохранительного клапана. Для предохранительных клапанов с давлением до 5 атм:
Pe = Pпред.кл - 0,5 атм.
Для предохранительных клапанов с давлением больше 5 атм:
Pe = Pпред.кл - (Pпред.кл . 10 %).

Так, например, для системы отопления c общим объемом 500 литров, высотой 15 м (1,5 атм), с максимальной рабочей температурой теплоносителя (воды) 90 °С и давлением предохранительного клапана 3 атм необходим следующий объем расширительного бака:
Ve = 500 . 3,55 % = 17,75 литра;
Vv = 500 . 0,5 % = 2,5 литра
(т.к. 2,5 < 3,0 принимаем Vv = 3,0 литра);
P0 = 1,5 атм;
Pe = 3 - 0,5 = 2,5 атм;
Vn = (17,75 + 3,0) . (2,5 + 1/2,5 - 1,5) = 72,625 литра.
В результате принимается к установке расширительный бак номинальным объемом 80 литров.

Однако, как известно, не весь расширительный бак заполнен жидкостью, а только его часть. В табл. 3 мы приводим коэффициенты использования объемов расширительных баков итальянской фирмы Zilmet. В ней показано, какая часть от объема бака действительно заполняется теплоносителем. Входными величинами являются первоначальное давление воздуха в баке P0 и величина предельного давления в системе Pmax. Так, для P0 = 1,5 бар и Pmax = 3,5 бар коэффициент использования (К) составляет 0,44. Таким образом, бак емкостью 35 литров может быть заполнен жидкостью только на 35 х 0,44 = 15,4 литра. Эту таблицу с небольшими погрешностями можно использовать и для расширительных баков других фирм.

Объем гидроаккумулятора рассчитывается, исходя из оптимизации частоты включения подкачивающего насоса. Максимальный объем воды, содержащейся в мембранном баке, может составлять не более 75 % его общего объема. Фактический же объем содержащейся в нем воды, как правило, заметно меньше, так как лишь в редких случаях, предусмотренных спецификой того или иного технологического процесса, давление находящейся в мембранном баке воды достигает 10 бар. Поэтому, если перепад давлений между включением и выключением насоса не превышает 2- 2,5 бар (наиболее приемлемый в условиях автономного водоснабжения диапазон), фактический объем воды в мембранном баке будет составлять приблизительно 30-35 % общего его объема. Чем больше разница междудавлениями включения и выключения насоса, тем больше фактический объем мембранного бака. Минимальный допустимый объем мембранного бака напрямую зависит от максимально допустимого числа включений насоса в час и от интенсивности водоразбора, а также от того, при каких значениях давления насос будет включаться и выключаться. Минимально допустимый объем мембранного бака можно определить из следующего приближенного выражения:

где V — объем мембранного бака, м3;
Q — предполагаемый разбор воды, м3/ч;
N — максимально допустимое число включений насоса в час.

Для того, чтобы продлить срок службы электродвигателя насоса, рекомендуется выбирать мембранный бак, объем которого несколько превышает минимально допустимый. Допускается установка двух и более мембранных баков в одну систему, при этом давление в воздушных камерах этих мембранных баков должно быть одинаковым.

Что предлагает рынок
Современные условия эксплуатации инженерных систем предъявляют особые требования к их конструктивным элементам, таким, как расширительные баки. Производители делают упор на использование современных технологий и материалов, обеспечивающих высокое качество, удобство применения, простоту монтажа, работу системы без завоздушивания, минимазации процесса коррозии, простоту технического обслуживания.

В настоящие время на нашем рынке представлен широкий выбор мембранных баков разных производителей для использования в системе отопления. Среди них следующие модели: N, G, S, E, F (Reflex), Cal-Pro, Ultra-Рro, Hydro-Рro (max 10-16 bar) (Zilmet), Starvarem LR, Extravarem LR, Maxivarem LR, Flatvarem (Varem), ER, ERCE, ERL (ELBI), CP/RP, ERECE (Cimm), VR, VRV (Aquasystem).

Мембранный расширительный бак имеет корпус, изготовленный из высококачественной стали, разделенный мембраной на две камеры: водяную и воздушную. У Reflex E, G — сменная мембрана, у Reflex N, S, Cal-Pro, Starvarem LR, Extravarem LR, Maxivarem LR, Flatvarem — несменная.

Тип Reflex N: мембрана — EPDM, баки объемом от 35 л имеют опоры. Расширительные баки Reflex E имеют шаровидную мембрану SBR (вода не контактирует с металлическими частями бака), укомплектованы манометром.

Cal-Pro: мембрана — SBR-типа (техническая резина), устроена аналогично бакам Reflex серии N. Расширительные баки (за исключением малых размеров) этого типа располагаются на кольцевой
опоре. Модельный ряд включает 17 моделей объемом от 8 до 1000 л. Макисимальное давление — 4-6 бар.

Starvarem LR, Extravarem LR, Maxivarem — баки такого же типа, как Cal-Pro, снабжены мембранами SBR типа. Конструктивной особенностью всех типов баков Varem является то, что вода в системе отопления не контактирует с металлическими стенками бака. Модели емкостью 8, 25 и 40 литров крепятся на подводящей трубе. Модели емкостью 60, 80, 100 и 200 литров крепятся к полу.

Типоразмерный ряд Extravarem LR имеет новую систему крепления мембраны. По сравнению с известными баками с центральным креплением мембраны новая система обеспечивает следующие преимущества: меньшие затраты и меньшая материалоемкость; меньшие габариты баков при том же полезном объеме; возможность применения более высокого рабочего давления.

Одним из примечательных свойств расширительных баков типоразмерного ряда Maxivarem LR является возможность контролировать состояние внутренней поверхности через отверстие в корпусе и в случае необходимости заменять мембрану. Кроме того, мембрана в баки типа Extravarem и Maxivarem устанавливается после окраски бака. Благодаря этому обеспечивается постоянство физико-механических свойств материала мембраны, так как введение деталей из резины в окрасочную (нагревательную) печь может стать причиной преждевременного старения мембраны.

У типа Flatvarem емкость плоской округлой формы; мембрана — SBR-типа. Расширительные баки этого типа удобны для размещения в ограниченном или труднодоступном пространстве.

Расширительные баки ELBI с мембраной (от 5 до 5000 л) выполнены из высококачественной листовой стали в соответствии с требованиями UNI-EN и спаяны по строгим стандартам; они производятся на автоматизированных линиях; сварены сертифицированными сварочными материалами. Модели от 2 до 4 литров предназначены для различных типов комплектации. Они не подлежат ISPESL тестированию, так как содержание в них теплоносителя не превышает 25 литров. Кроме того, баки могут быть изготовлены в специальных версиях под заказ в соответствии с международными требованиями. Модели от 35 до 500 литров могут быть встроены в различные типы оборудования. Кроме того, баки могут быть изготовлены в специальных версиях под заказ в соответствии с международными требованиями. Особо следует отметить высокое качество мембран, которые ELBI изготавливают на собственном оборудовании. Мембраны, используемые в серии ERL, выполнены с применением специального способа, который позволяет добиться точных измерений, отвечающих реальному объему бака, таким образом уменьшая риск механического поврежденияво время эксплуатации.

Расширительные баки Aquasystem серии VR, VRV состоят из резервуара и мембраны, разделяющей его на две камеры (водяную и воздушную). Водяная и воздушная камера, в связи с непроницаемостью и подвижностью мембраны, постоянно имеют одинаковое давление.
Ёмкости снаружи покрашены теплостойким лаком красно-коричневого цвета и, в соответствии со статической высотой, наполнены воздухом. Eмкости от 35 л комплектуются опорами. Рабочее давление — 0,5 МПа, Начальное давление воздуха — 0,15 МПа.
Диапазон рабочих температур:

• от -10 до +90 °С CIMM (CP, RP);
• от -10 до +99 °С все типы Zilmet, Varem, Aquasystem, CIMM (ERE, CE);
• от -10 до + 99 °С Reflex N, E, S, G.
• от -10 до +110 °С Elbi ;

Мембранные баки для холодной и горячей воды представлены следующими модельными линейками: DE (Reflex), Water-Pro, Ultra-Pro, Innox-Pro(Zilmet), Intervarem LS (Varem), AS, AC, AF, CE, AFL, HI-NOX (Elbi), AF, AFC, AFOS, ACS, AC, CE, AFE, AFC/CAP (CIMM), VA, VAO/V (Aquasystem). Предназначены для автоматизированных систем холодного и горячего водоснабжения, повысительных установок и подпиточных устройств, установок пожаротушения и служат также для компенсации гидродинамических ударов. Используются как расширительные баки в системах горячего водоснабжения.

Мембранный бак имеет корпус, изготовленный из высококачественной стали, разделенный сменной мембраной на две камеры: водяную и воздушную. Контакт воды с металлической поверхностью корпуса невозможен, так как вода поступает в водяную камеру — мембрану, материалом которой является
бутил (Water-Pro, Ultra-Pro , DE),
бутил/EPDM (ACS, AC, CE, AFE, AFC/CAP),
NBR (AF, AFC, AFOS).
Исключением являются модели Innox-Pro и Hydro-Pro , выполненные с несменной мембраной, материалом которой является бутил.

Серия Reflex DE включает в себя широкий диапазон моделей от 8 до 3000 л особо прочной конструкции и максимальным рабочим давлением 10, 16, 25 бар. На все части бака, контактирующие с водой, нанесено антикоррозионное покрытие, соответствующее требованиям санитарных норм.

Мембранные баки серии Ultra-Pro представлены в горизонтальном и вертикальном исполнении, максимально допустимое рабочее давление — 10, 16 бар. Модели AS, AC, AF и ALF (Elbi) предоставлены в диапазоне от 5 до 5000 литров. Модели AF и AFL возможны в варианте 10 бар и наиболее подходят для работы в гидросистемах с ограниченным давлением. Наряду со стандартными моделями под заказ возможны конфигурации, подходящие под ASME, BS, CE TUV стандарт.

Повышенное внимание к требованиям и запросам покупателя привели к выпуску моделей HI-NOX объемом 2-60 л, полностью изготовленных из нержавеющей стали с MIG-сварочными швами. Такие гидроаккумуляторы пригодны для использования в агрессивной среде (море, разъедающие вещества и т.д.).
Диапазон рабочих температур:

• от -10 до +99 °С Ultra-Pro, Water Pro;
• от -10 до +70 °С DE;
• от -10 до +100 °С Intervarem LS, VA, VAO/V (Aquasystem), AS AC (Elbi), AF, AFC, AFOS, ACS, AC, CE, AFE, AFC/CAP (CIMM);
• от -10 до 75 AF CE;
• от -10 до 50 AFL (Elbi).

Технические характеристики некотырых моделей расширительных баков представлены в сводной табл 4.