آنچه باید از منبع انبساط و انواع آن بدانیم؟

آنچه باید از منبع انبساط و انواع آن بدانیم

در دستگاه های گرمایشی و حرارتی که با آب پر می شوند و در معرض فشار اتمسفر نیستند، حجم آب با افزایش دما زیاد شده و در اثر این افزایش حجم آب به محفظه ای ثانویه منتقل می شود. آب تا زمانی که سیستم گرمایشی سرد گردد و کاهش حجم صورت پذیرد در آن محفظه باقی می ماند، سپس مجدداً به درون سیستم گرمایشی منتقل شده و روند کار ادامه می یابد. به این محفظه های ذخیره آب، اصطلاحاً مخزن انبساط گفته می شود.

نحوه کارکرد منبع انبساط در سیستم های حرارتی خانگی

معمولاً سیستم های حرارتی آب گرم خانگی از این روش پیروی می کنند. به طوری که مخزن تا حدی با هوا پر می شود که بالشتک های قابل انعطاف آن ناشی از چکش آبی Water Hammer و فشار اضافی آب ناشی از انبساط حرارتی را جذب کند. اگر آب داخل سیستم آب رسانی پس از گرم شدن از سیستم خارج نگردد، باعث آسیب به لوله ها و ترکیدگی آن ها می گردد.

یکی از دلایل قرارگرفته مخزن انبساط در بالاترین نقطه ساختمان همین است تا لوله های خروجی ساختمان به این مخزن وارد شود. افزون بر این، در قسمت سرمایش سیستمی نیز حجم آب به دلایل کاهش دما کم می شود و لازم است از قسمتی دیگر آب وارد سیستم گرمایشی ساختمان شود. پس آب از مخزن مجدداً وارد لوله کسی ساختمان می گردد

به این ترتیب مخزن انبساط خود به دو قسمت تقسیم می شود. یک طرف آن به لوله کار سیستم گرمایشی متصل است و حاوی آب هست. طرف دیگر، سمت خشک، دارای هوای تحت فشار و یک شیر سوپاپ دار هست که جهت بررسی فشار و افزایش هوا مورداستفاده قرار می گیرد.

هنگامی که سیستم گرمایش خالی باشد یا در انتهای فشار متوسط کار باشد، دریچه به سمت ورودی آب هدایت می شود و با افزایش فشار آب حرکت می کند و هوا را در سمت دیگر خود فشرده می سازد.

کارکرد و مقایسه مخزن انبساط قدیمی با نمونه جدید

درگذشته مخازن انبساط بزرگ تر و افقی شکل بودند و هیچ دریچه لاستیکی جداکننده آب از قسمت هوا را نداشتند. امروزه این سبک مخازن به علت ترکیب آب وهوا و نیاز به خروج از قسمت دیگر سیستم منسوخ شده است.

درروش قدیمی نیاز بود به تدریج هوا را از مخزن به بالاترین نقطه سیستم منتقل کنند و این موضوع به نوبه خود نیاز به تخلیه دوره ای مخزن داشت تا کارایی آن حفظ گردد؛ اما دریچه لاستیکی موجود در مخزن انبساط امروزی، از این انتقال ناخواسته هوا جلوگیری می نماید و به حفظ سطح پایین اکسیژن در لوله ها کمک می کند، بدین ترتیب لوله های مخزن کمتر دچار خوردگی و اکسید شدن می شود.

درگذشته، سیستم های لوله کشی خانگی غالباً بیشتر از مدل های جدید هوا داشتند و هوای محبوس شده به عنوان مخزن انبساط خام عمل می کرد، اما در سیستم های جدید و مدرن امروزی از مخازن انبساط نسبت به گذشته بیشتر استفاده می شود.

مخازن باز یا همان Open Tanks قدیمی، برخلاف مخازن بسته و مهروموم شده امروزی، در فضای سقف نصب می شدند تا انبساط آب را تأمین کنند. از آسیب های ایجادشده در این محفظه ها همین بس که بدون عایق کاری آسانسور و در معرض هوای سرد موجود در سقف باعث یخ زدگی لوله های تأمین کننده مخزن می شدند.

همچنین نگرانی در مورد توانایی آب مخازن سقف به دلیل احتمال آلودگی وجود داشت. نقطه ضعف مهم دیگر وجود فشار آب از مخزن سقف نسبت به فشار آب شبکه بود که باعث استفاده از شیرهای ترکیبی می شد و به طور قابل ملاحظه ای غیرقابل پیش بینی بود.

اهداف تعبیه مخزن انبساط در سیستم های حرارتی

وجود منبع انبساط در سیستم های حرارت مرکزی برای رسیدن به دو هدف کلی در نظر گرفته شده است.

• کاهش فشار آب ناشی از گرم شدن و افزایش بخارآب در مخازن و پکیج های حرارتی.
• جبران کاهش فشار ناشی از تقلیل آب در سیستم های حرارت مرکزی.

به همین دلیل مخازن انبساط علاوه بر کنترل افزایش فشار، کاهش فشارهای ناشی از نشتی در سیستم های حرارتی را نیز جبران می کنند.

ذکر این نکته ضروری است که هر محفظه می بایست به یک منبع انبساط مجزا متصل گردد و این ارتباط حتی الامکان مستقیم باشد، زیرا اگرچند محفظه دارای یک منبع انبساط مشترک باشند در صورت تعمیر و یا خارج از سرویس بودن هرکدام از محفظه ها، ارتباط آن ها با منبع انبساط حتماً توسط شیر قطع گردد.

از طرفی طبق مقررات و جهت ایمنی نباید بین منبع انبساط و محفظه هیچ گونه شیری وجود داشته باشد. ضمناً استفاده از یک منبع انبساط (به ویژه منبع انبساط باز) مشترک باعث اتلاف حرارتی (در مواقعی که از برخی از محفظه ها استفاده نمی شود) می شود.

همچنین منبع انبساط حجیم و سنگین شده که ممکن است مشکلات سازه ای و نصب و اجرای را به دنبال داشته باشد اگر در سیستم گرمایش محفظه ها را طوری انتخاب کرده ایم که برای موارد مختلف از آن ها استفاده کنیم منبع انبساط آن ها نیز باید متناسب باشد. در این حالت محفظه ای که فقط آب گرم مصرفی را تأمین می کند حجم منبع انبساط کوچک تر هست.

انواع مخزن انبساط

در این مقاله، سه نوع مخزن انبساط موردبحث قرار خواهد گرفت که شامل

• مخازن انبساط باز Open expantion tanks،
• مخازن انبساط بسته expantion tanks Closed و
•  مخازن انبساط ترکیبی است.

مخزن انبساط باز Open expantion tank

مخزن انبساط باز شامل یک مخزن بزرگ است که به اتمسفر و هوای بیرونی باز می شود. با ایجاد دما در سیستم، مایعات به درون مخزن منبسط می شوند. با افزایش دما، سیال منبسط می شود و شروع به افزایش حجم درون مخازن می کند.

همان گونه که از اسم این منبع پیداست، این منبع از نوع مخازنی است که به طور مستقیم با هوای آزاد در ارتباط بوده و درواقع فشار هوای واردشده از برون بر روی سطح آن و مایعات در گردش موجود در آن اعمال می شود. ازآنجاکه در یک منبع انبساط باز، فشار هوای داخل سیستم از طریق فشار هوای محیط بیرون از سیستم تنظیم می شود. این مخازن برای دستگاه های گرمایشی با فشار کم مطلوب است.

به این علت که میزان فشاری که به سیستم و مایعات درون آن وارد می شود با ارتفاع قرارگیری آن و فشار هوا ارتباط مستقیم دارد و نمی تواند فشاری بیش از فشار مرکزی ناشی از اختلاف ارتفاع محل نصب با سیستم گرمایش مرکزی را منتقل کند.

بدین ترتیب مخزن انبساط باز به طورمعمول در بالای سیستم قرارگرفته و در ارتفاعی بالاتر از بالاترین مبدل حرارتی نصب می شود تا بتواند به بهترین شکل ممکن فشار کل سیستم را بالانس کرده و از هدر رفتن آب جلوگیری کند.

بنابراین این نوع مخازن را معمولاً روی پشت بام نصب می کنند تا هم ارتفاع آن ها نسبت به سایر اجزای سیستم گرمایشی حفظ شود و هم در ارتباط مستقیم با هوا باشد.

این ارتفاع بایستی به اندازه ای باشد که بتواند در حالتی که سیستم خاموش است عمل هواگیری را انجام دهد، حداقل ارتفاع استاتیکی ۱۲۰ سانتیمتر ذکرشده است.

مخزن انبساط باز با معادله زیر اداره می شود.

اصطلاح (v_2 / v_1 -1) درصد تغییر حجم سیستم را توصیف می کند. اصطلاح ۳α∆t درصد تغییر در حجم لوله کشی ناشی از گسترش لوله کشی را توصیف می کند. این اصطلاح از درصد تغییر در مدت حجم کم می شود زیرا انبساط لوله به جبران انبساط حجم مایع کمک می کند.

منبع انبساط باز علاوه بر پاسخگویی به انبساط و انقباض آب درون سیستم، تأمین فشار سیستم را نیز بر عهده دارد. این منابع باید عایق کاری مناسب شوند زیرا تلفات حرارتی زیادی دارند، همچنین در مقابل یخ زدگی محافظت شوند.

برای سفارش محصول تا جایی که ممکن است از منابع استوانه ای استفاده شود زیرا که در یک حجم یکسان و در مقایسه با منابع مستطیلی سطح جانب کمتری را اشغال می کنند. این منابع دارای لوله هواکش، پرکن، سرریز، انبساط مخزن و برگشت آن و خط تخلیه می باشند.

روی لوله های سرریز، هواکش، رفت وبرگشت مخزن هیچ نوع شیری نصب نگردد. همچنین لازم است این لوله ها عایق کاری شوند.

از طرفی به دلیل احتمال سرریز شدن آب از منبع انبساط و آسیب دیده پوشش بام، ضروری است لوله سرریز و لوله تخلیه را تا موتورخانه امتداد داد ولی برای صرفه جویی، لوله تخلیه و سرریز را به هم متصل و تا موتورخانه ادامه می دهند. ادامه لوله تا موتورخانه این مزیت را دارد که در صورت سرریز شدن آب قابل رؤیت و علل آن قابل بررسی است. ترتیب لوله ها باید از بالابه پایین لوله پرکن، سرریز، لوله انبساط (از روی مخزن) و لوله برگشت باشد.

لازم است منبع انبساط باز در جای خود تثبیت شده باشد و فضای کافی در اطراف منبع جهت دسترسی آسان وجود داشته باشد. با توجه به در معرض هوا قرار داشتن آن ها، می تواند ضخامت آن ها کمتر از نوع مخازن انبساط بسته انتخاب شود.

سوراخ شدن مبدل های حرارتی تأمین آبگرم مصرفی باعث جریان آب پیوسته به درون سیستم گرمایی و متعاقباً سرریز شدن آب در منبع انبساط باز شود.

خرابی شناور منبع انبساط، افزایش دمای آب مخزن و یا کوچک بودن حجم منبع نیز از دیگر دلایل سرریز موقتی آب هستند. اگر دو یا چند تا مخزن به یک کلکتور متصل باشند موقع که یکی از مخازن خاموش می شود (و شیر آب خروجی مخازن به کلکتور باز است) آب درون مخزن خاموش، شروع به سرد شدن می کند و بنابراین منقبض شده و آب سرد مجدداً از منبع انبساط مخزن جایگزین می شود. فشار وارد بر کف بویلر خاموش، با توجه به افزایش چگالی آب آن بیش از فشار بویلر روشن شده و بنابراین، برای اینکه فشارها متعادل گردد سطح آب مخزن روشن باید بالا رود. این افزایش سطح باعث سرریز شدن آب منبع انبساط مخزن روشن می گردد.

نکته حائز اهمیت آن است که منبع انبساط باز می تواند میزان آب موجود در گردش در کل سیستم گرمایشی را تنظیم کند.

به این ترتیب که اگر در صورت وجود نشتی در سیستم میزان آب موجود در گردش کم شد، مخزن به صورت خودکار عمل کرده و بااتصالی که به آب شهری دارد این کسری آب را جبران می کند. هم چنین اگر در اثر افزایش فشار بیش ازحد در سیستم میزان آب موجود در سیستم بیش ازاندازه افزایش یافت با باز کردن شیرهای اطمینان باعث خروج آب اضافی سیستم شده و به این شکل همیشه میزان آب در گردش موجود در سیستم گرمایشی را در یک حد ثابت و مشخص قرار می دهد.

این نوع مخزن خود به دو گروه عمده تقسیم می شود:

مخزن بسته بدون کیسه یا آبدان Closed Tank with No Bladder

مخزن انبساط بسته و بدون کیسه هیچ گونه شکافی به هوای بیرونی ندارد. این یک مخزن بسته بااتصال به سیستم آب سرد است. مخزن بسته فضای خالی دارد که وقتی هوا در سیستم سرد است با هوا پر می شود. با افزایش دما در سیستم آب سرد، حجم منبسط می شود و فضای خالی مخزن را پر می کند.

در زیر معادله حاکم بر مخزن بسته نشان داده شده است.

این معادله همان فرم اولیه مخزن انبساط باز را دنبال می کند، با این تفاوت که ثابت “۲” با اصطلاح

(P_a / P_1) – (P_a / P_2) جایگزین می شود.

این اصطلاح تغییر فشار را می توان در این مدل مخازن قرارداد. در مخزن باز، هیچ تغییری در فشار ایجاد نمی شود. با انبساط مایع مخزن باز پر می شود، اما پس از پرشدن حجم مخزن، هر حجم اضافی مخزن را بیش ازحد پر می کند و تغییر فشار ایجاد نمی شود.

از طرف دیگر مخزن بسته می تواند افزایش حجم و فشار را تحمل کند. با گسترش مایعات، حجم مخزن افزایش می یابد. سپس، پس از پرشدن حجم، مخزن بسته شده دیگر ازنظر حجم افزایش نمی یابد بلکه فشار افزایش می یابد. به این ترتیب مخزن می تواند انبساط مایع بیشتری را با حجم کمتری در خود جای دهد.

مخزن بسته با کیسه/دریچه Closed Tank with Bladder/Diaphragm

مخزن بسته با کیسه یا دریچه متداول ترین مخزن انبساط است. این نوع مخزن مشابه مخزن بسته است، مگر اینکه درون کیسه یا دریچه وجود داشته باشد که آب وهوا را از هم جدا کند. با گسترش حجم آب سرد، آب به کیسه فشار می آورد و آن به عنوان مانعی بین هوا و آب برای محدود کردن هوای قابل جذب در آب عمل می کند.

همچنین کیسه یا دریچه اجازه می دهد تا هوای داخل آن از قبل شارژ یا تحت فشار قرار گیرد. اهمیت فشار دادن هوا این است که فشاری را تعیین می کند که آب سرد باید قبل از پذیرفتن حجم مخزن حاصل کند. معادله اساسی برای مخزن انبساط بسته با کیسه یا دریچه هوای از قبل شارژ شده در زیر نشان داده شده است.

روش ترکیبی

یکی از روش های پاسخگویی به انبساط و انقباض آب روش ترکیبی هست بدین شکل که جایگزین منبع انبساط باز یا بسته، از شیر کاهنده فشار که قابل تنظیم باشد، سوئیچ، پمپ و یک مخزن استفاده می کنیم.

چنین مخازنی باید از جنس مقاوم در برابر خوردگی بوده و روی پایه خود محکم قرار گیرد. جداره های خارجی مخزن باید عایق حرارتی داشته باشد، همچنین جنس عایق باید در مقابل نور خورشید و رطوبت خارجی همانند باران مقاوم باشد.

مخزن انبساط بخشی ضروری از کلیه سیستم های گرمایشی و حرارتی جهت کنترل حداقل و حداکثر فشار هست. آن ها قطعات ساده ای از این نمونه تجهیزات هستند، اما تنوع و تفاوت های بسیاری ازلحاظ تولیدکننده، کدها، کارکردهای مهندسی، چگونگی اندازه و نحوه لوله گذاری آنان با یکدیگر وجود دارد.