Расширительный бак для водоснабжения — эксплуатация в автономных системах

При монтаже систем автономного водоснабжения помимо водозаборных электронасосов используют автоматические приборы управления их работой, монтируемые по-отдельности или входящие в состав насосных станций. Один из основных узлов автоматики — расширительный бак для водоснабжения, являющийся незаменимым элементом и выполняющий в системе ряд важных функций.

Если для забора воды с небольших глубин применяют поверхностные насосные станции, в состав которых входит расширительный бак (гидроаккумулятор), то при использовании погружных электронасосов прибор приобретается отдельно. Перед покупкой подходящего гидроаккумулятора полезно знать их разновидности, схемы подключения, варианты монтажа и настройки приборов. Любому потребителю, самостоятельно занимающемуся монтажом автономной системы водоснабжения, не помешают знания о формулах расчета объема мембранного бака и критериях его выбора с учетом советов опытных специалистов.

Рис. 1 Расширительный бак для водоснабжения в частном доме

Какие функции выполняет расширительный бак в водоснабжении

Мембранный бак для водоснабжения — многофункциональный прибор, ни одна автономная система, за исключением использующих дорогостоящие погружные электронасосы с частотным управлением, не может обойтись без его использования. Чтобы ответить на вопрос, для чего нужен бак в системе, следует рассмотреть его конструктивное устройство и принцип работы.

Все мембранные баки состоят из двух основных частей, включающих в себя металлический бачок и внутреннюю эластичную мембрану с запрессованным в крышку корпуса входным штуцером. При работе электронасоса на закрытые краны вода поступает во внутреннюю эластичную оболочку и происходит ее растяжение (расширение), в определенный момент водоподача прекращается и гидробак остается в наполненном состоянии.

Когда краны открывают, вода из гидроаккумулятора поступает в систему с определенным давлением за счет сжатия эластичной мембраны до момента повторного запуска насоса, который снова качает воду для наполнения бака. Процессом включения-отключения электронасоса управляет реле давления, для его настройки на пороги срабатывания используют встроенный в систему манометр.

Рис. 2 Конструктивное устройство горизонтального бака

Расширительный бак для водоснабжения в качестве гидроаккумулятора

Из принципа работы гидробака понятно, что он накапливает (аккумулирует) некоторый объем воды в своем внутреннем эластичном баллоне или части корпуса. Благодаря этому в системе определенное время поддерживается нужное давление, а также создается некоторый запас воды, полезный в аварийных ситуациях при кратковременном отключении электричества, повреждениях водопровода, отказе электронасоса.

Некоторые домовладельцы устанавливают гидробаки большого объема внутри дома — это позволяет делать значительные запасы водных ресурсов.

Однако к большим объемам гидроаккумуляторов следует подходить с практической точки зрения — в крупногабаритных баках вода задерживается дольше и реже обновляется, поэтому при перерывах в водопотреблении велика вероятность ее порчи с неприятными для пользователя последствиями.

Гидробак для стабилизации напора в системе

Так как наполненная водой емкость гидробака отдает водные ресурсы в течение длительного времени, зависящем от его объема и потребления, ровное давление в водопроводе поддерживается длительной период времени. При отсутствии накопительной емкости трубопровод освобождался бы от водных ресурсов быстрее — это вызывало бы быстрое падение давления в системе и частое включение электронасоса.

Рис. 3 Принцип работы гидроаккумулятора

Расширительный бак для защиты от гидроударов

Защита от гидроударов — один из ответов на вопрос, зачем нужен гидробак. Принцип компенсации им гидроударов в системе заключается в следующем: при отключении — включении электронасоса происходит резкая остановка или движение водных потоков. При этом в силу инерционности вода оказывает физическое воздействие на оболочку трубопровода, запорную и регулирующую арматуру, передавая им свою кинетическую энергию. Узлы и детали водопроводной системы начинают смещаться, в результате чего происходит ослабление резьбовых и компрессионных соединений, крепежа трубопровода, появляется сбои в работе автоматики.

Эластичная накопительная емкость для системы водоснабжения в виде оболочки внутри гидробака при движении и остановке водного потока растягивается или сжимается в первую очередь — это позволяет предотвратить физическое воздействие на другие узлы водопровода.

Гидроаккумулятор для увеличения срока службы насосного оборудования

Принцип работы автоматики включения и отключения электронасоса состоит в реакции реле на заполнение емкости гидробака водой — как только внутренняя резиновая оболочка начинает растягиваться и оказывать сопротивление давлению водных масс, в определенный момент срабатывает реле давления и отключает электронасос. Понятно, что чем дольше заполняется водой внутренняя оболочка гидробака, тем большее время насос находится во включенном состоянии.

Аналогично при водозаборе вода из бака уходит медленнее и соответственно реле на включение электронасоса срабатывает через значительный промежуток времени.

Учитывая приведенные выше рассуждения понятно, что чем больше объем гидроаккумулятора, тем меньше количество циклов включения — отключения электронасоса и соответственно увеличивается продолжительность его функционирования вместе с управляющим реле.

Рис. 4 Гидробаки для отопительных систем – популярные бренды

Какие бывают типы мембранных баков

Закрытые гидробаки используют в системах отопления и водоснабжения, хотя они имеют одинаковое конструктивное устройство, у отопительных видов мембрана сделана из термостойкой резины, а наружная поверхность бака, в отличие от голубых для водоснабжения, окрашена в красный цвет.

Также физические параметры баков для водоснабжения и отопления отличаются предельно допустимыми параметрами рабочих давлений соответственно в 10 и 5 бар и как отмечалось выше, максимальной термостойкостью внутренних оболочек в 70 и 120° С.

Также расширительные баки для водоснабжения имеют следующие отличия:

1. По способу установки различают модели вертикального и горизонтального расположения, последние, как правило, имеют меньший объем и всегда используются в составе насосных станций.
2. Гидроаккумуляторы отличаются друг от друга объемами, самый малый из предлагаемых на рынке агрегатов рассчитан на 8 л, а наибольшую емкость имеет вертикальный гидробак бренда Wester, вмещающий 10000 л воды.
3. Материалом изготовления резервуаров гидробаков служит легированная сталь с высоким содержанием углерода, обладающая антикоррозионными свойствами, снаружи она обычно покрывается лакокрасочными материалами. Иногда баки производят из нержавейки, которая обладает более высокой сопротивляемостью коррозии.

Рис. 5 Разновидности мембран

Внутренняя оболочка гидробака изготавливается из следующих материалов:

Натуральной каучуковой резины (Natural) белого цвета с рабочим температурным диапазоном от -10 до +70 °С, материал можно использовать для аккумулирования питьевой воды. Рабочий ресурс при полном растяжении оболочки из каучука составляет 10 – 15 тысяч сокращений, при наполнении водой не более 20% от объема предельное количество сжатий достигает 50 тысяч. К недостаткам натурального каучука относят способность микропор пропускать воду при высоких давлениях — в результате на внутренних стенках гидробака выпадает конденсат, вызывающий ускоренную коррозию металла.

Синтетической этилен-пропиленовой резины EPDM со сроком службы, рассчитанным на 100 тысяч сокращений, оболочка предназначена для эксплуатации в гидробаках систем отопления, диапазон рабочих температур материала от -10 до +120 °С.

Универсальной синтетической резины из бутила (Butyl) с ресурсом в 50 — 60 тысяч сокращений, подходит для систем с питьевой водой и часто устанавливается в гидробаки насосных станций, выдерживает температуры от -10 до +100 °С. Отличается от натурального каучука низкой водонепроницаемостью.

Оболочки из резины SBR устанавливаются в гидробаках для работы с технической водой температурой от -10 до +100 °С.

Читайте также:  Почему образуется конденсат на трубах?

По способу исполнения оболочки гидроаккумуляторов бывают плоскими и баллонного типа.

Также гидроаккумуляторы отличаются между собой конструктивным расположением мембран в корпусе бака.

Рис. 6 Гидробак со сменной оболочкой – внутреннее устройство

Мембранный бак со сменной мембраной

Гидробаки с данным методом крепления диафрагмы легко отличимы от аналогов наличием в передней части крышки из нержавейки (оцинкованной стали, пластика) с болтовым креплением.

В конструкции предусмотрена возможность замены внутренней оболочки, которая оснащена специальной горловиной и зажимается фланцем с помощью нескольких болтов. В гидробаках большого объема оболочка дополнительно фиксируется за хвостовой выступ в задней части к ниппелю, через который производится подкачка воздуха.

Основная задача при смене эластичного баллона — точно разместить его горловину в посадочном гнезде гидробака и не пережать при фиксации фланцевыми болтами. Преимуществом данного вида гидроаккумуляторов является отсутствие контакта воды с внутренней поверхностью металлического бака — это предотвращает коррозию и увеличивает срок службы прибора.

Бак со стационарной диафрагмой

В подобных конструкциях цилиндрический корпус состоит из двух половинок, при сборке резиновая диафрагма надежно запрессовывается между ними. Попадающая внутрь корпуса вода контактирует с внутренней поверхностью бака и оказывает на него негативное воздействие, ускоряя коррозию.

Чтобы предотвратить разрушение металла, внутренние стенки резервуара покрывают антикоррозионными составами. Конструкция с неразъемным соединением чаще используются в гидробаках отопления, техническая резина которых в отличие от пищевой имеет более высокие температурные характеристики и рассчитана на большее число циклов сжатия и расширения. К тому же диафрагма расширительных баков отопления не работает в режимах сильного сжатия и расширения, что еще более увеличивает срок ее службы и делает неразборную конструкцию оправданной с технической точки зрения.

Рис. 7 Материалы изготовления и конструктивное устройство мембранного бака со встроенной диафрагмой

Установка и настройка гидроаккумулятора

Установка бака в системе водоснабжения производится вместе с реле давления, сухого хода (при использовании погружных электронасосов) и манометром. В большинстве случаев для подключения этих приборов используют пятивходовой фитинг с отводами стандартных диаметров и резьбы для подключения: напорного трубопровода от электронасоса, внутридомовой водопроводной магистрали, реле давления, манометра и гидроаккумулятора. При монтаже обвязки гидроаккумулятора выполняют следующие операции:

1. В трубопровод, идущий от электронасоса, помещают фильтр грубой очистки от песка. Многие профессионалы и мастера специализированных фирм устанавливают вместо или вслед за фильтром очистки от песка прибор тонкой очистки, мотивируя это тем, что при таком расположении не будет загрязняться мембрана реле давления, являющаяся основным исполнительным элементом в автоматической системе управления. Однако подобное подключение к системе водоснабжения приводит к тому, что электронасос вынужден работать на фильтр тонкой очистки с низкой пропускной способностью — это потребует приложения большей мощности и может привести преждевременному выходу агрегата из строя из-за перегрузки (перегрева).
2. Далее за фильтром грубой очистки в линию помещают пятивходовой фитинг. К нему прикручивают реле давления и манометр. Для удобства пользования в случае выхода из строя, к примеру, гидроаккумулятора или любых элементов автоматики, в систему устанавливают отсекающие запорные краны. Один из них ставят на выходе пятерника, предназначенного для подключения к гидроаккумулятору, второй устанавливают на входе внутридомового трубопровода.

Рис. 8 Схема обвязки гидроаккумулятора с поверхностным насосом

1. Иногда требуется слить воду из гидроаккумулятора, в этом случае от запорного шарового крана откручивают гибкую подводку и освобождают резервуар, по аналогии поступают и с внутренней водопроводной системой, спуская воду через дополнительный кран в линии или через весь трубопровод в скважину.
2. Для нормального функционирования погружного электронасоса обязательна установка реле сухого хода. Для этого перед пятивходовым фитингом ставят тройник с боковым отводом, в который вкручивают реле.
3. Многие устанавливают шаровый кран в напорный трубопровод от электронасоса на входе пятивходового распределителя. Данное действие не совсем понятно с точки зрения логики (зачем нужен кран) — обычно в водопроводную магистраль на выходе погружного электронасоса или всасывающего напорного трубопровода поверхностной насосной станции ставят обратный клапан, предотвращающий стекание воды обратно в скважину через электронасос или трубу. А если понадобится слить воду из внешнего подземного трубопровода обратно в скважину, это можно сделать открыванием обратного клапана (дополнительного вентиля) — за счет уклона проложенного трубопровода к источнику она уйдет самотеком. К тому же при случайном закрытии шарового крана, его засорении, потере работоспособности, насос будет качать воду в закрытую систему без автоматики и выйдет из строя.
4. К запорным шаровым кранам подключают с помощью гибкой подводки гидроаккумулятор и внутридомовой трубопровод.
5. Собранный узел вместе с пятерником и элементами автоматики обычно крепят к стене помещения, в котором находится поверхностный электронасос, гидроаккумулятор. Если это невозможно по каким-либо причинам, пятерник прикручивают ко входному патрубку гидроаккумулятора напрямую или через переходной отрезок трубы, аналогичным образом поступают при подключении узла к электронасосу.

Рис. 9 Расширительный бак для водоснабжения с обвязкой в кессонном колодце

Настройка гидроаккумулятора

В любом гидроаккумуляторе на задней части корпуса имеется штуцер, рассчитанный на накачку воздуха ручным насосом с определенным давлением. Это делается для того, чтобы эластичный баллон функционировал в оптимальном режиме без критичных изменений своего физического состояния.

То есть, если давление воздуха внутри гидробака между стенками эластичного баллона и металлического корпуса будет выше минимального в системе, мембранная оболочка сожмется, потеряет свою форму и быстро выйдет из строя. Поэтому давление воздуха внутри гидроаккумулятора устанавливается с таким расчетом, чтобы оно никогда не превышало минимальное в системе, для приблизительных расчетов берется 10% уменьшение. Второй метод расчета нужного давления внутри гидроаккумулятора — умножение нижнего порога срабатывания реле на 0,9, к примеру, при предельном значении в реле 1,7 бар после умножения на 0,9 получим необходимое давление внутри гидробака 1,53 бара.

Настроить нужную разницу давлений в гидроаккумуляторе и системе можно двумя способами: в первом случае меняют нижний порог срабатывания реле, во втором — давление воздуха в мембране аккумуляторного бака.

К примеру, рассмотрим типовые значения порогов срабатывания гидравлического реле 1,4 — 2,8 бар и давления внутри гидроаккумулятора в 1,5 бар. В первом случае мы настраиваем реле на отключение при давлении в системе около 1,7 бар. Если необходимо регулировка расширительного бака для водоснабжения с изменением внутреннего давления, поступают следующим образом:

Открывают запорный кран или откручивают гибкую подводку, сливая воду из гидроаккумулятора.

Снимают защитную крышку с задней части, освобождают ниппель и вставляют в него автомобильный манометр, измеряя давление.

Если его нужно уменьшить, просто стравливают воздух до получения нужных показаний манометра.

Для увеличения давления внутри гидробака подключают к ниппелю обычный автомобильный насос и накачивает воздух до необходимого значения, периодически проверяя показания манометром.

Читайте также:  Автоматика для скважины: основные виды, принцип работы и схемы подключения

Рис. 10 Таблица для расчета объема гидроаккумулятора

Расчет объема гидроаккумулятора

Подбор мембранного бака в первую очередь производят по его главному параметру — объему, если он мал, система будет работать неэффективно со слишком частыми включениями электронасоса и небольшими гидроударами. При превышении объема застой воды в баке может сделать ее непригодной для питья.

Для расчета объема гидробака используют следующую формулу:

Vt = 16,5 · Qmax/А · Pmax · Pmin/(Pmax – Pmin) · 1/Pg, где:

Vt — объем гидробака;

Qmax – подача воды в единицу времени, измеряется в литрах в минуту, стандартное водопотребление для одной семьи составляет 3м3/час или 50 л/мин;

А – допустимое число включений электронасоса за один час, зависит от мощности агрегата, для большинства погружных моделей предельный показатель равен 20;

Pmax и Pmin – величины давлений отключения и включения электронасоса в барах, их типовые усредненные значения соответственно 3 и 1,5 бара;

Pg – давление воздуха внутри гидроаккумулятора в барах, рассчитывается умножением Pmin на 0,9 (0,9 х 1,5) = 1,35.

В результате получаем:

Vt = 16,5 · 50/20 · 3 · 1,5/(3 – 1,5) · 1/1,35 = 91,66 л

Как видно из таблицы на рис. 10, максимальный объем воды внутри любого расширительного бака не превышает 50% от его паспортных данных.

Расширительный бак для водоснабжения в различных системах – схемы монтажа

Помимо работы в качестве оборудования для автономного водопровода, мембранный расширительный бак для водоснабжения нередко используют в других целях, устанавливая его в отопительные, водосборные и водоснабжающие системы различного инженерного исполнения. При этом основные критерии выбора — температурные характеристики внутренней оболочки, объем бака и способ его размещения на поверхности.

Рис. 11 Гидробак с бойлером косвенного нагрева – схема и пример размещения

Обвязка бойлера косвенного нагрева

Бойлер косвенного нагрева предназначен для создания запасов горячей воды в доме, конструктивно он выполнен в виде металлического утепленного резервуара для сбора воды, внутри которого находится отопительный трубопровод. Поступающая в бойлер холодная вода нагревается трубами, по которым циркулирует теплоноситель системы отопления — таким образом установка не потребляет электроэнергию, а потребитель всегда имеет запас горячей воды. Также петлевая схема подключения трубопровода бройлера с рециркуляцией не позволяет остывать воде в трубах.

Общеизвестно, что при нагреве вода расширяется и в закрытом бройлере из-за этого повышается давление. Для компенсации к нему подключают вертикально установленный расширительный бак для систем водоснабжения, оболочка которого принимает на себя возросшее давление воздуха.

Рис. 12 Вертикальный расширительный бак для водоснабжения в системах обезжелезивания

Запас воды

Для обеспечения автономного водоснабжения вовсе не обязательно устанавливать погружные или поверхностные электронасосы в водные источники и производить непрерывный водозабор. Альтернативный метод — кратковременный сбор воды и хранение ее запасов в накопительной емкости. Для его реализации на чердаке дома устанавливают накопительный бак, наполняют его водой из любого источника с помощью электронасоса, предусматривая разрыв цепи электропитания поплавковым выключателем, установленным на стенке накопительной емкости.

Недостатком способа сбора жидкости в накопительную емкость является неудобство ее размещения на чердаке, а также низкий напор без мембраны при малой высоте расположения (1 бар на 10 метров вертикального водного столба), не всегда достаточный для комфортного водопотребления.

Альтернатива данному варианту — использование накопительного гидробака большой емкости. Его можно разместить в любом месте дома и даже в подвале, а элементом, управляющим электронасосом, служит реле давления. В этом случае подобранный гидробак обеспечит значительно больший напор воды во внутреннем водопроводе по сравнению с накопительной емкостью на чердаке. Его второе немаловажное преимущество — нахождение внизу, благодаря этому подключаемый трубопровод не будет портить дизайн и эстетичный вид дома в отличие от накопительного бака, к которому придется протягивать линию по верху.

Рис. 13 Схема монтажа гидроаккумулятора в системе со скважинным насосом

Забор воды из скважины

Технология подключения гидроаккумулятора к магистрали автономного водоснабжения с подачей воды из скважины была рассмотрена выше, в этом случае гидроаккумулятор обычно используют в составе насосной станции или размещает его отдельно, рядом со скважинным насосом. Бак также может находиться в доме, намного реже его помещают на поверхности в отдельной пристройке.

Забор воды из емкости

Не всегда водозабор производят для бытовых нужд и питья, нередко вода нужна в хозяйстве для полива огородов, автомоек, наполнения бассейнов или рукотворных прудов. В этом случае ее чистота не играет большой роли, и она может быть взята из различного вида источников или емкостей — озер, прудов, крыниц, бочек для сбора дождевых осадков. Использование поверхностных насосов при этом требует постоянного надзора, поэтому рационально применять для водосбора автоматически отключаемые насосные станции, в состав которых обязательно входит горизонтальный гидробак. Прибор предотвратит нежелательные гидравлические удары и обеспечит работу отключающей автоматики от реле давления, если оно не подходит, его отсоединяют от питания, меняют на реле сухого хода или на входе напорной трубы ставят переходник с реле протока.

Рис. 14 Схемы насосных станций для дома

Советы по выбору оптимально подходящего бака

При выборе гидробаков руководствуются следующими соображениями:

1. Гидроаккумулятор со сменной оболочкой баллонного типа имеет ряд преимуществ перед изделиями со встроенной диафрагмой — позволяет менять баллон, что выгодно из-за не слишком высокого срока службы изделий из натуральных материалов. К тому же вода в баллонных баках не контактирует с его стенками — это снижает требования к коррозионной стойкости металлического резервуара.
2. Съемный фланец лучше подобрать из прочной нержавейки, имеющей высокий срок службы.
3. Необходимый объем гидроаккумулятора определяют по приведенным выше формулам, чтобы избежать расчетов, можно воспользоваться готовыми таблицами.
4. Материал баллона в системах забора питьевой воды выбирают из экологически чистой пищевой резины, лучше всего данным требованиям подходит бутил.
5. При покупке рассматривают производителей с учетом оптимального соотношения цены и качества, одними из лучших считаются гидроаккумуляторы Zilmet (холдинговая компания со штаб-квартирой в Италии), Reflex (Германия), понятно, что в качественных показателях им уступают агрегаты Джилекс и Wester российского производства, Аквасистем российской сборки из итальянских комплектующих.

Рис. 15 Стоимость популярных моделей гидроаккумуляторов 2019 г

Гидроаккумулятор — один из важнейших узлов в системе автономного водоснабжения, от физических параметров, конструкции и материалов изготовления которого во многом зависит ее функционирование. Чтобы выбрать подходящий агрегат, определяют его необходимый объем по несложным формулам или таблицам, далее подбирают модель из ряда брендов отечественного и зарубежного производства по оптимальному соотношению цены и качества, рассматривая материалы изготовления и руководствуясь отзывами, советами специалистов.