Umístění uzavřené expanzní nádoby v otopné soustavě

otopné soustavy

Pro výpočet optimální velikosti uzavřené tlakové expanzní nádoby je nutné pamatovat i na vliv hydrostatického tlaku při jejím umístění s ohledem na bod připojení k otopné soustavě.
Autor článku uvádí mj. příklad vlivu hydrostatického tlaku na velikost expanzní nádoby při umístění nádoby v nejvyšším a nejnižším bodě otopné soustavy.

Recenzent: Jiří Matějček

Úvod

Na téma objasnění některých problémů ve vztahu k uzavřeným expanzním nádobám, byly v tomto časopise publikovány odborné popisy a pravidla pro návrh a provozní nastavení či zkoušení správného plnění plynu či vzduchu v nádobách.

Zásadní a základní sdělení k této problematice znamenal článek zveřejněný v Topenářství instalace již v č. 3/2010. Na poptávku čtenářů byl stejný článek znovu vydán v č. 8/2017 a doplněn Ing. Jiřím Doubravou. Tento doplněk popisuje také praktický postup, jak kontrolovat tlak plynu či plynu v nádobě, aniž by výsledek ovlivňoval statický tlak vody v soustavě.

V Topenářství instalace č. 1/2018 k věci odpovídal také Ing. Vladimír Jirout. Kromě jiného uvádí příklad výpočtu pro uzavřenou expanzní nádobu, ale specificky pro bytové podlahové vytápění, když je kotel i uzavřená expanzní nádoba umístěna na stejném podlaží.

Hydrostatický tlak

Při výpočtech je třeba vzít v potaz právě umístění a bod připojení uzavřené expanzní nádoby v otopné soustavě s ohledem na hydrostatické poměry v soustavě. Hydrostatický tlak H je nejvyšší v nejnižším bodě soustavy. Pro názornost lze zaokrouhleně říci, že pokud je horní část nejvýše položeného otopného tělesa například ve výšce h₁ = 36 m ode dna otopné soustavy, je hydrostatický tlak na dně soustavy H » 360 kPa.

Pokud chceme vyjádřit výsledek hydrostatického tlaku na dně otopné soustavy přesněji, musíme zahrnout do výpočtu také měrnou hmotnost vody a gravitační zrychlení. Potom je výpočet hydrostatického tlaku vody v otopné soustavě určen rovnicí H = g·r·(h₁ – h₂). Na vrcholu soustavy je výška ode dna h₁ = 36 m a u dna soustavy je výška vody h₂ = 0 (nula) m. Z toho vyplývá, že je hydrostatický tlak v nejvyšším bodě otopné soustavy roven nule H = 0 kPa.

Pokud bude r = 995 kg·m^–3; (h₁ – h₂₎ = 36 m; g = 9,81 m·s^–2, potom je H = 351 394 Pa (pascalů), což je 351,394 kPa. Vzhledem k tomu, že se měrná hmotnost vody mění s teplotou, je třeba vždy do výpočtu zahrnout hodnotu „r“ při plnicí teplotě otopné vody, která je chladnější než za provozu (měrná hmotnost při plnění soustavy vodou je vyšší a tedy je vyšší také hydrostatický tlak). Z toho plyne, že po zahřátí vody se mění dvě veličiny:

• zvětšený objem vody vlivem roztažnosti,
• snížený hydrostatický tlak vlivem snížené měrné hmotnosti vody po zahřátí.

Důsledkem je potom změna celkového tlaku otopné soustavy (lze odečíst na manometru).

Pokud je v příkladu Ing. Vladimíra Jirouta umístěn závěsný kotel, vybavený uzavřenou expanzní nádobou, na zdi s nejvyšší hladinou vody ve výšce 1,5 m nad podlahou (tedy nejnižším místem soustavy), potom je (opět zaokrouhleně) nejvyšší hydro­statický tlak v trubkách podlahového vytápění pouze do 15 kPa.

Co když je ale uzavřená expanzní nádoba připojená v místě poblíž H = 0 kPa?

U takto umístěných nádob (například na nejvyšším místě otopné soustavy v podkroví) je výhodou, že nepotřebujeme tlak plnicího plynu k tomu, abychom vyrovnali hydrostatický tlak v nádobě.

Ve skutečnosti potřebujeme jen tak velikou nádobu, aby byla schopna kompenzovat („vstřebat“) zvětšený objem naplněné soustavy po jejím zahřátí na provozní teplotu. Ve zmíněném článku v č. 7/2018 je rovněž uvedena tabulka změny objemu vody v závislosti na teplotním rozdílu před a po ohřátí, například pro rozdíl mezi provozní teplotou a teplotou při plnění, tj. DT = 40 K je změna objemu Dv = 0,0224 = 2,24 %. Na každých 100 litrů objemu otopné soustavy je třeba v tomto případě počítat s prostorem v expanzní nádobě (bez rezervy) o objemu 2,24 litrů.

Uzavřené expanzní nádoby umístěné poblíž H = 0 mají vyšší celkové využití objemu nádoby (vodní i plynový prostor).

Uzavřené expanzní nádoby umístěné nejníže, tj. poblíž H_max, kdy _⁽h₁ – h₂) je v našem případě 36 m, by se nádoba bez plnicího plynového „polštáře“ naplnila zcela vodou, a potom by neexistoval prostor pro zvětšení objemu otopné vody po dosažení vyšší provozní teploty. V tomto případě proto musíme počítat s takovým plnicím tlakem „polštáře“, který při nižší plnicí teplotě vody vytvoří dostatečný vzduchový prostor, který umožní „vstřebat“ zvětšený objem vody po dosažení provozní teploty.

Podle výpočtových tabulek například prof. Ing. Karla Laboutky, CSc. a Tomáše Suchánka (2001) lze odvodit:

1. Nádoba umístěná v nejvyšším bodě soustavy, která má výšku 36 m je hydrostatický (počáteční tlak) H₁ = 0 kPa. V absolutních jednotkách je pak H_1a = 100 kPa. Jestli použijeme nádobu s maximálním absolutním tlakem H_2a = 600 kPa, potom je využití nádoby dáno následující rovnicí h = (H_2a – H_1a) / H_2a = (600 – 100) / 600 = 0,833 (83,3 %). V tomto případě potřebujeme menší expanzní prostor, než viz 2).
2. Nádoba umístěná v nejnižším bodě soustavy, která má výšku 36 m je hydrostatický tlak (počáteční tlak) H₁ = 351,4 kPa. V absolutních jednotkách je potom H_1a = 451,4 kPa. Jestli použijeme nádobu s maximálním ­absolutním tlakem také H_2a = 600 kPa, potom je využití nádoby dáno následující rovnicí h = (H_2a – H_1a) / H_2a = (600 – 451,4) / 600 = 0,248 (24,8 %). V tomto případě potřebujeme větší expanzní prostor, než viz 1).

Upozornění:

Pro připojení expanzních nádob ke zdrojům tepla v otopných soustavách existují pravidla, která je třeba dodržovat a uplatňovat jak při projektování, tak při montáži a provozování.

Literatura

1. ČÍHAL, Zdeněk: Příčiny možného kolísání tlaku v soustavách s uzavřenou expanzní nádobou. Topenářství instalace. 2010, č. 3, s. 22–24.
2. ČÍHAL, Zdeněk: Příčiny možného kolísání tlaku v soustavách s uzavřenou expanzní nádobou. Topenářství instalace. 2017, č. 8, s. 72–75.
3. JIROUT, Vladimír: Otázky. Topenářství instalace. 2018, č. 1, s. 16.
4. LABOUTKA, Karel – SUCHÁNEK, Tomáš: Výpočtové tabulky pro vytápění. Vztahy a pomůcky. Praha: Společnost pro techniku prostředí, 2011. 208 s. Sešit projektanta – pracovní podklady. Sv. 9.

Location of Closed Expansion Vessel in Heating System

In order to calculate the optimum size of a closed pressure expansion vessel, it is also necessary to take into account the influence of the hydrostatic pressure at its location with respect to the point of connection to the heating system. The author of the article gives an example of the hydrostatic pressure effect on the expansion vessel size when the vessel is placed at the highest and lowest point of the heating system.

Keywords: closed expansion vessel, hydrostatic pressure, connection point, heating system