Увеличение объема воды при нагревании таблица — VashSlesar.ru

Во многих регионах России устойчивая работа автономной системы теплоснабжения в осенне-зимний период обеспечивается применением теплоносителя с низкой температурой замерзания. В подавляющем большинстве случаев используются гликолевые смеси, физико-химические характеристики которых отличаются от параметров воды.

У же более полутораста лет назад в России стали широко применяться системы отопления с теплоносителем. В большинстве случаев это было водяное или паровое отопление. Еще примерно через сто лет начался переход от открытых систем отопления к закрытым, важным элементом которых стал расширительный бак (экспансомат), назначение которого состояло в компенсации температурного расширения теплоносителя (рис.1).

Рис. 1. Конструкция современных мембранных баков

В том случае, если автономная система теплоснабжения была изначально спроектирована в расчете на использование в качестве теплоносителя воды, исходя из ее физических параметров подбирался тип и главное объем расширительного бака. Однако гликолевые смеси имеют другой коэффициент объемного теплового расширения, кинематическую вязкость и теплоемкость (

табл.1). Поэтому смена типа теплоносителя с переходом на гликолевые смеси требует и корректировки отопительной системы, в частности, проверки емкости расширительного бака и при необходимости ее коррекции (замены бака).

Для определения массового расхода (М) теплоносителя требуется рассчитать необходимое отопительной системой количества тепла. Затем расход определяется по формуле:

где ΣQ_i – требуемый тепловой поток , Вт; с – удельная теплоемкость теплоносителя, кДж/кг•˚С, ∆t = t_1т – t_2т – разность температур теплоносителя на входе и выходе из системы, ˚С.

Объемный расход в м 3 /ч определяется делением полученного значения на удельный вес теплоносителя. При смене теплоносителя значение имеет увеличение объемного расхода относительно воды – V_a/V_в, где V_а и V_в – соответственно, объемы гликолевой смеси и воды. Причем объем первой зависит также от типа гликоля и его концентрации, которые в свою очередь подбираются, исходя из условий эксплуатации. Например, при понижении температуры замерзания смеси на основе этиленгликоля от –20 до –67 ˚С объемные расходы возрастают на 6 и 12 %, соответственно (рис. 2).

Рис. 2. Зависимость относительного объемного расширения от температуры теплоносителя:

а – вода; б – водный раствор моноэтиленгликоля 45 %

А в системах ГВС с бойлером косвенного нагрева можно применять только нетоксичный, но, увы, более дорогой пропиленглиголь. Коэффициент теплового расширения его растворов, значительно отличающийся от водяного, близок к соответствующим значениям моноэтиленгликолевых водных растворов (табл.2).

Опасный воздух

Переход на антифриз может приводить к завоздушиванию отопительных систем: ведь он имеет более высокий по сравнению с водой коэффициент объемного расширения и емкости расширительного бака, рассчитанного на ее использование, что может оказаться недостаточно. Поэтому при нагреве теплоносителя до рабочих температур (в среднем 85 ˚С) его излишек может быть сброшен через предохранительный клапан. Затем при снижении тепловой нагрузки потребуется подпитка системы, которая обычно осуществляется водой. Растворенные в ней газы выделятся при нагреве и приведут к образованию воздушных пробок, появление которых чревато уже серьезными авариями.

Минимально необходимый объем расширительного бака в закрытой системе отопления можно рассчитать по формуле:

где V_1b – начальный объем теплоносителя в баке при холодной системе отопления, м 3 ; ∆V_r – значение расширения теплоносителя при нагреве до рабочей температуры, м 3 ; P

2 – давление в расширительном баке при рабочей температуре, бар; P₁ – давление в расширительном баке до заполнения системы теплоносителем, бар.

Значение ∆V_r рассчитывается как произведение общего объема теплоносителя в системе, среднего в рабочем температурном диапазоне коэффициента объемного расширения (k) и этого диапазона. Его значение обычно принимается равным 60 ˚С (∆t = t_ср – t _{= 80 – 20, ˚С).}

При переходе с воды на антифриз важно соотношение V_2b/V_1b, где V_2b и V_1b –соответственно, объемы расширительного бака для низкотемпературного теплоносителя и воды. Замена ее на гликолевые растворы концентрацией 40–45 % и, соответственно, с температурой начала кристаллизации 30–35 ˚С в отопительных системах мощностью до 100 кВт потребует увеличения номинальных объемов расширительных баков на 5–15 %, в более производительных системах коррекцию лучше проводить, используя графики зависимости объема от мощности и типа теплоносителя (

рис.3) или таблицы пересчета.

Рис. 3. Зависимость объема расширительного бака от мощности системы отопления:

а – вода; б – водный раствор моноэтиленгликоля 45 %

Важнейший параметр для антифризов – максимальные рабочие температуры. Кипеть при атмосферном давлении большинство гликолевых растворов начинает при 104–112 °C. Однако некоторые производители заявляют рабочие температуры значительно выше, до 150 ˚С и даже больше, вполне приемлемые для гелиосистем. Принципиальное значение этот параметр имеет потому, что в отличие от воды при превышении допустимой температуры происходит необратимое разложение гликолевых растворов.

Поэтому выбор расширительного бака с запасом на запредельное увеличение температуры смысла не имеет: даже небольшой локальный перегрев приводит к столь серьезным деструктивным изменениям, что должен в принципе потребовать замены всего гликолевого теплоносителя.

Очень важно то, что гликолевые смеси имеют повышенную по сравнению с водой проницаемость или текучесть. Причем вероятность возникновения протечек тем больше, чем больше в отопительной системе соединений. А течи часто обнаруживаются при ее остывании, когда возникают проницаемые для антифриза микроканалы. Поэтому все соединения, выполненные ранее при установке расширительного бака, должны быть доступны для ревизии, не скрыты под облицовкой или замоноличены.

Таблица. 1. Физические характеристики теплоносителей

Калькулятор расчёта объёма расширительного мембранного бака для системы отопления:

Методика расчёта объёма расширительного мембранного бака для системы отопления:

Представленный ниже расчет предназначен для индивидуальных систем отопления и значительно упрощен. Его точность составляет 10%. Мы считаем, что этого вполне достаточно

1. Определим, какой тип жидкости Вы будете использовать в виде теплоносителя. Для примера расчета в качестве теплоносителя мы возьмем воду. Коэффициент температурного расширения воды принят равным 0,034 (это соответствует температуре 85 o С)

2. Определим объем воды в системе. Приблизительно его можно рассчитать в зависимости от мощности котла из расчета 15 литров на каждый киловатт мощности . Например, при мощности котла 40 кВт, объем воды в системе будет равен 600 литрам

3. Определим величину максимального допустимого давления в системе отопления. Она задана порогом срабатывания клапана безопасности в системе отопления

4. Также в расчетах используется величина первоначального давления воздуха в расширительном баке Ро. Давление Ро не должно быть меньше , чем гиростатическое давление системы отопления в точке расположения расширительного бака

5. Полный объем расширения V можно подсчитать по формуле:

6. Выбирать бак нужно, округляя расчетный объем в большую сторону (бак большего объема не повредит)

7. Теперь подберем бак, обеспечивающий компенсацию этого объема. Учитывая, что коэффициент заполнения водой расширительного бака с фиксированной несменной мембранной при этих условиях равен 0,5 (таблица), то для рассмотренной системы подойдет 80-литровый расширительный бак:

80 литров x 0,5 = 40 литров

Коэффициент заполнения (полезный объём) расширительного мембранного бака

Предельное давление в системе Рmax, бар	Первоначальное давление в баке , Ро бар
	0,5	1,0	1,5	2,0	2,5	3,0	3,5	4,0
1	0,25	—	—	—	—	—	—	—
1,5	0,40	0,20	—	—	—	—	—	—
2,0	0,50	0,33	0,16	—	—	—	—	—
2,5	0,58	0,42	0,28	0,14	—	—	—	—
3,0	0,62	0,50	0,37	0,25	0,12	—	—	—
3,5	0,67	0,55	0,44	0,33	0,22	—	—	—
4,0	0,70	0,60	0,50	0,40	0,30	0,20	—	—
4,5	—	0,63	0,54	0,45	0,36	0,27	0,18	—
5,0	—	—	0,58	0,50	0,41	0,33	0,25	0,16
5,5	—	—	0,62	0,54	0,47	0,38	0,30	0,23
6,0	—	—	—	0,57	0,50	0,42	0,35	0,28

Мембранные расширительные баки для систем отопления Wester

Общий вид фронт	Общий вид сзади	Вид сверху	Вид снизу
Все объемы
Производитель: Wester Heating Емкость: 8, 12, 24, 35, 50, 80, 100, 120, 150, 200, 300, 500, 750, 1000, 1500, 2000, 2500, 3000, 5000, 10 000 литров Преддавление в воздушной полости: 1,5 бар Макс. давление: 5,0 бар Рабочая температура: -10°C. +100°C — Предназначены для компенсации температурных расширений теплоносителя в замкнутых системах отопления. — Основные элементы бака — корпус из высококачественной стали, эластичная мембрана из каучука. — Давление в воздушной полости для баков от 8 до 150 литров — 1,5 бара, от 200 до 10 000 литров — бара. — Теплоноситель в системе отопления — вода с содержанием гликоля не выше 50%. — Расширительные баки комплектуются сменной мембраной. — Температурный режим работы — от -10 °С до +100 °С — Срок службы — 100 000 циклов. — Цвет корпуса — красный. Жидкости расширяются значительно сильнее твердых тел. Они также расширяются во всех направлениях. Вследствие большой подвижности молекул жидкость принимает форму сосуда, в котором она находится, причем следует учитывать и тепловое расширение сосуда. Расширение жидкости в трубках также представляет собой объемное расширение. Следовательно, верны формулы объемного расширения.

V1	объем жидкости при температуре t1,	метр 3
V2	объем жидкости при температуре t2,	метр 3
ΔV	изменение объема жидкости,	метр 3
β	коэффициент объемного расширения (объемный коэффициент теплового расширения),	1/K

Коэффициент объемного расширения

Коэффициент объемного расширения β равен отношению относительного объемного расширения ΔV/V₁ к разности температур Δt:

Предложена новая теория, объясняющая, почему вода при нагревании от 0 до 4°C сжимается

Японский физик Масакадзу Мацумото выдвинул теорию, которая объясняет, почему вода при нагревании от 0 до 4°C сжимается, вместо того чтобы расширяться. Согласно его модели, вода содержит микрообразования — «витриты», представляющие собой выпуклые пустотелые многогранники, в вершинах которых находятся молекулы воды, а ребрами служат водородные связи. При повышении температуры конкурируют между собой два явления: удлинение водородных связей между молекулами воды и деформация витритов, приводящая к уменьшению их полостей. В диапазоне температур от 0 до 3,98°C последнее явление доминирует над эффектом удлинения водородных связей, что в итоге и дает наблюдаемое сжатие воды. Экспериментального подтверждения модели Мацумото пока что нет — впрочем, как и других теорий, объясняющих сжатие воды.

В отличие от подавляющего большинства веществ, вода при нагревании способна уменьшать свой объем (рис. 1), то есть обладает отрицательным коэффициентом теплового расширения. Впрочем, речь идет не обо всём температурном интервале, где вода существует в жидком состоянии, а лишь об узком участке  — от 0°C примерно до 4°C. При больших температурах вода, как и другие вещества, расширяется.

Между прочим, вода — не единственное вещество, имеющее свойство сжиматься при увеличении температуры (или расширяться при охлаждении). Подобным поведением могут «похвастать» еще висмут, галлий, кремний и сурьма. Тем не менее, в силу своей более сложной внутренней структуры, а также распространенности и важности в разнообразных процессах, именно вода приковывает внимание ученых (см. Продолжается изучение структуры воды, «Элементы», 09.10.2006).

Некоторое время назад общепринятой теорией, отвечающей на вопрос, почему вода увеличивает свой объем при понижении температуры (рис. 1), была модель смеси двух компонент — «нормальной» и «льдоподобной». Впервые эта теория была предложена в XIX веке Гарольдом Витингом и позднее была развита и усовершенствована многими учеными. Сравнительно недавно в рамках обнаруженного полиморфизма воды теория Витинга была переосмыслена. Отныне считается, что в переохлажденной воде существует два типа льдообразных нанодоменов: области, похожие на аморфный лед высокой и низкой плотности. Нагревание переохлажденной воды приводит к плавлению этих наноструктур и к появлению двух видов воды: с большей и меньшей плотностью. Хитрая температурная конкуренция между двумя «сортами» образовавшейся воды и порождает немонотонную зависимость плотности от температуры. Однако пока эта теория не подтверждена экспериментально.

С приведенным объяснением нужно быть осторожным. Не случайно здесь говорится лишь о структурах, которые напоминают аморфный лед. Дело в том, что наноскопические области аморфного льда и его макроскопические аналоги обладают разными физическими параметрами.

Японский физик Масакадзу Мацумото решил найти объяснение обсуждаемого здесь эффекта «с нуля», отбросив теорию двухкомпонентной смеси. Используя компьютерное моделирование, он рассмотрел физические свойства воды в широком диапазоне температур — от 200 до 360 К при нулевом давлении, чтобы в молекулярном масштабе выяснить истинные причины расширения воды при ее охлаждении. Его статья в журнале Physical Review Letters так и называется: Why Does Water Expand When It Cools? («Почему вода при охлаждении расширяется?»).

Изначально автор статьи задался вопросом: что влияет на коэффициент теплового расширения воды? Мацумото считает, что для этого достаточно выяснить влияние всего трех факторов: 1) изменения длины водородных связей между молекулами воды, 2) топологического индекса — числа связей на одну молекулу воды и 3) отклонения величины угла между связями от равновесного значения (углового искажения).

Перед тем как рассказать о результатах, полученных японским физиком, сделаем важные замечания и разъяснения по поводу вышеупомянутых трех факторов. Прежде всего, привычная химическая формула воды H₂O соответствует лишь парообразному ее состоянию. В жидкой форме молекулы воды посредством водородной связи объединяются в группы (H₂O)_x, где x — количество молекул. Наиболее энергетически выгодно объединение из пяти молекул воды (x = 5) с четырьмя водородными связями, в котором связи образуют равновесный, так называемый тетраэдральный угол, равный 109,47 градуса (см. рис. 2).

Проанализировав зависимость длины водородной связи между молекулами воды от температуры, Мацумото пришел к ожидаемому выводу: рост температуры рождает линейное удлинение водородных связей. А это, в свою очередь, приводит к увеличению объема воды, то есть к ее расширению. Сей факт противоречит наблюдаемым результатам, поэтому далее он рассмотрел влияние второго фактора. Как коэффициент теплового расширения зависит от топологического индекса?

Компьютерное моделирование дало следующий результат. При низких температурах наибольший объем воды в процентном отношении занимают кластеры воды, у которых на одну молекулу приходится 4 водородных связи (топологический индекс равен 4). Повышение температуры вызывает уменьшение количества ассоциатов с индексом 4, но при этом начинает возрастать число кластеров с индексами 3 и 5. Проведя численные расчеты, Мацумото обнаружил, что локальный объем кластеров с топологическим индексом 4 с повышением температуры практически не меняется, а изменение суммарного объема ассоциатов с индексами 3 и 5 при любой температуре взаимно компенсирует друг друга. Следовательно, изменение температуры не меняет общий объем воды, а значит, и топологический индекс никакого воздействия на сжатие воды при ее нагревании не оказывает.

Остается выяснить влияние углового искажения водородных связей. И вот здесь начинается самое интересное и важное. Как было сказано выше, молекулы воды стремятся объединиться так, чтобы угол между водородными связями был тетраэдральным. Однако тепловые колебания молекул воды и взаимодействия с другими молекулами, не входящими в кластер, не дают им этого сделать, отклоняя величину угла водородной связи от равновесного значения 109,47 градуса. Чтобы как-то количественно охарактеризовать этот процесс угловой деформации, Мацумото с коллегами, основываясь на своей предыдущей работе Topological building blocks of hydrogen bond network in water, опубликованной в 2007 году в Journal of Chemical Physics, выдвинули гипотезу о существовании в воде трехмерных микроструктур, напоминающих выпуклые полые многогранники. Позднее, в следующих публикациях, такие микроструктуры они назвали витритами (рис. 3). В них вершинами являются молекулы воды, роль ребер играют водородные связи, а угол между водородными связями — это угол между ребрами в витрите.

Согласно теории Мацумото, существует огромное разнообразие форм витритов, которые, как мозаичные элементы, составляют большую часть структуры воды и которые при этом равномерно заполняют весь ее объем.

Молекулы воды стремятся создать в витритах тетраэдральные углы, поскольку витриты должны обладать минимально возможной энергией. Однако из-за тепловых движений и локальных взаимодействий с другими витритами некоторые микроструктуры не обладают геометрией с тетраэдральными углами (или углами, близкими к этому значению). Они принимают такие структурно неравновесные конфигурации (не являющиеся для них самыми выгодными с энергетической точки зрения), которые позволяют всему «семейству» витритов в целом получить наименьшее значение энергии среди возможных. Такие витриты, то есть витриты, которые как бы приносят себя в жертву «общим энергетическим интересам», называются фрустрированными. Если у нефрустрированных витритов объем полости максимален при данной температуре, то фрустрированные витриты, напротив, обладают минимально возможным объемом.

Компьютерное моделирование, проведенное Мацумото, показало, что средний объем полостей витритов с ростом температуры линейным образом уменьшается. При этом фрустрированные витриты значительно уменьшают свой объем, тогда как объем полости нефрустрированных витритов почти не меняется.

Итак, сжатие воды при увеличении температуры вызвано двумя конкурирующими эффектами — удлинением водородных связей, которое приводит к увеличению объема воды, и уменьшением объема полостей фрустрированных витритов. На температурном отрезке от от 0 до 4°C последнее явление, как показали расчеты, преобладает, что в итоге и приводит к наблюдаемому сжатию воды при повышении температуры.

Осталось дождаться экспериментального подтверждения существования витритов и такого их поведения. Но это, увы, очень непростая задача.

Источник: Masakazu Matsumoto. Why Does Water Expand When It Cools? // Phys. Rev. Lett. 103, 017801 (2009).

Юрий Ерин

Расчет расширительного бака для закрытых систем отопления

Как произвести расчет объёма расширительной емкости для закрытой системы отопления.

Современные системы отопления представляют собой замкнутый контур, герметичную конструкцию заполненную жидкостью, которая изолирована от попадания воздуха, а значит, менее подвержена окислению.

При увеличении объёма жидкости в закрытой системе, в связи с увеличением температуры теплоносителя, может повыситься давление, способное нарушить целостность элементов системы. В таких случаях устанавливается герметичный расширительный бак (мембранный или экспанзомат), который используется в закрытых контурах отопления с целью компенсации температурных расширений.

Экспанзомат конструктивно представляет собой герметичную емкость, со встроенной внутрь эластичной мембраной или мешком, разделяющей бак на две полости: одна из которых, при увеличении давления, наполняется теплоносителем, а другая – воздухом или азотом.
В одной из частей компенсатора расположен ниппель для подкачки насосом и замера давления газа, а в другой – резьбовой штуцер для присоединения к контуру отопления.
 

 

Формула расчета расширения жидкости при изменении температуры:

V = A x VT / (1– Pmin / Pmax.) / К.

где:

VT- общий объем теплоносителя в системе

A – коэффициент расширения теплоносителя при максимальной возможной температуре

Pmin (атм.) – начальное давление в расширительном баке 

Pmax (атм.) – максимально допустимое значение давления

К — коэффициент заполнения расширительной ёмкости, определяющий максимальный объем жидкости (в процентах от полного объема мембранного бака), который может вместить экспанзомат. По таблице:

Pmax-максимальное давление, атм.	Pmin — начальное давление, атм.
	0,5	1,0	1,5	2,0	2,5	3,0	3,5	4,0	5,0
1,0	0,25
1,5	0,40	0,20
2,0	0,50	0,33	0,16
2,5	0,58	0,42	0,28	0,14
3,0	0,62	0,50	0,37	0,25	0,12
3,5	0,67	0,55	0,44	0,33	0,22
4,0	0,70	0,60	0,50	0,40	0,30	0,20
4,5		0,63	0,54	0,45	0,36	0,27	0,18
5,0			0,58	0,50	0,41	0,33	0,25	0,16
5,5			0,62	0,54	0,47	0,38	0,30	0,23
6,0				0,57	0,50	0,42	0,35	0,28
6,5				0,60	0,53	0,46	0,40	0,35	0,20
7,0					0,56	0,50	0,44	0,38	0,25
7,5					0,58	0,53	0,47	0,41	0,30
8,0						0,56	0,50	0,45	0,33

 

Коэффициент расширения воды и водогликолевой смеси в зависимости от температуры в %

°С	Содержание гликоля, %
	0	10	20	30	40	50	70	90
0	0,00013	0,0032	0,0064	0,0096	0,0128	0,0160	0,0224	0,0288
10	0,00027	0,0034	0,0066	0,0098	0,0130	0,0162	0,0226	0,0290
20	0,00177	0,0048	0,0080	0,0112	0,0144	0,0176	0,0240	0,0304
30	0,00435	0,0074	0,0106	0,0138	0,0170	0,0202	0,0266	0,0330
40	0,0078	0,0109	0,0141	0,0173	0,0205	0,0237	0,0301	0,0365
50	0,0121	0,0151	0,0183	0,0215	0,0247	0,0279	0,0343	0,0407
60	0,0171	0,0201	0,0232	0,0263	0,0294	0,0325	0,0387	0,0449
70	0,0227	0,0258	0,0288	0,0318	0,0348	0,0378	0,0438	0,0498
80	0,0290	0,0320	0,0349	0,0378	0,0407	0,0436	0,0494	0,0552
90	0,0359	0,0389	0,0417	0,0445	0,0473	0,0501	0,0557	0,0613
100	0,0434	0,0465	0,0491	0,0517	0,0543	0,0569	0,0621	0,0729

 

Пример:

коэффициент расширения воды при температуре 90°С равен по таблице 0,0359

объем системы допустим 600 л.

начальное давление в расширительном баке 1,5 атм. 

максимальное давление в системе отопления 4 атм.

V = 0,0359 х 600 / (1 — 1,5 / 4) / 0,5 = 68,928 литра

Коррекция объема расширительного бака

Во многих регионах России устойчивая работа автономной системы теплоснабжения в осенне-зимний период  обеспечивается применением теплоносителя с низкой температурой замерзания. В подавляющем большинстве случаев  используются гликолевые смеси, физико-химические характеристики которых отличаются от параметров воды.

Подписаться на статьи можно на главной странице сайта.

Уже более полутораста лет назад в России стали широко применяться системы отопления с теплоносителем. В большинстве случаев это  было водяное или паровое отопление. Еще примерно через сто лет начался переход от открытых систем отопления к закрытым, важным элементом которых стал расширительный бак (экспансомат), назначение которого состояло в компенсации температурного расширения теплоносителя (рис.1).

Рис.  1. Конструкция современных мембранных баков

В том случае, если автономная система теплоснабжения была изначально спроектирована в расчете на использование в качестве теплоносителя воды, исходя из ее физических параметров подбирался тип и главное объем расширительного  бака. Однако гликолевые смеси имеют другой коэффициент объемного теплового расширения, кинематическую вязкость и теплоемкость (табл.1). Поэтому смена типа теплоносителя с переходом на гликолевые смеси требует и корректировки отопительной системы, в частности, проверки емкости расширительного бака и при необходимости ее коррекции (замены бака).

Для определения массового расхода (М) теплоносителя требуется рассчитать необходимое отопительной системой количества тепла. Затем расход определяется по формуле:

M = 3,6 × ΣQ_i/c × ∆t), кг/ч,

где ΣQ_i – требуемый тепловой поток , Вт; с – удельная теплоемкость теплоносителя, кДж/кг•˚С, ∆t = t_1т – t_2т – разность температур теплоносителя на входе и выходе из системы, ˚С.

Объемный расход в м³/ч определяется делением полученного значения на удельный вес теплоносителя. При смене теплоносителя значение имеет увеличение объемного  расхода относительно воды – V_a/V_в, где V_а и V_в – соответственно, объемы гликолевой смеси и воды. Причем объем первой зависит также от типа гликоля и его концентрации, которые в свою очередь подбираются, исходя из условий эксплуатации. Например, при понижении температуры замерзания смеси на основе этиленгликоля от –20 до –67 ˚С объемные расходы возрастают на 6 и 12 %, соответственно (рис. 2).

Рис. 2. Зависимость  относительного объемного расширения от температуры теплоносителя:

а – вода; б – водный раствор моноэтиленгликоля 45 %

А в системах ГВС с бойлером косвенного нагрева можно применять только нетоксичный, но, увы, более дорогой пропиленглиголь. Коэффициент теплового расширения его растворов, значительно отличающийся от водяного, близок к соответствующим  значениям моноэтиленгликолевых водных растворов (табл.2).

Опасный воздух

Переход на антифриз может приводить к завоздушиванию отопительных систем: ведь он имеет более высокий по сравнению с водой коэффициент объемного расширения и емкости расширительного бака, рассчитанного на ее использование, что может оказаться недостаточно.  Поэтому при нагреве теплоносителя до рабочих температур (в среднем 85 ˚С) его излишек может быть сброшен через предохранительный клапан. Затем при снижении тепловой нагрузки потребуется подпитка системы, которая обычно осуществляется водой. Растворенные в ней газы выделятся при нагреве и приведут к образованию  воздушных пробок, появление которых чревато уже серьезными авариями.

Минимально необходимый объем расширительного бака в закрытой системе отопления можно рассчитать по формуле:

V_b = (V_1b + ∆V_r) × (P₂ + 1)/( P₂ + P₁), м³,

где V_1b – начальный объем теплоносителя в баке при холодной системе отопления, м³; ∆V_r – значение расширения теплоносителя при нагреве до рабочей температуры, м³; P₂ – давление в расширительном баке при рабочей температуре, бар; P₁ – давление в расширительном баке до заполнения системы теплоносителем, бар.

Значение ∆V_r рассчитывается как произведение общего объема теплоносителя в системе, среднего в рабочем температурном диапазоне коэффициента объемного расширения (k)  и этого диапазона. Его значение обычно принимается равным 60 ˚С (∆t = t_ср – t₀ = 80 – 20, ˚С).

При переходе с воды на антифриз важно соотношение V_2b/V_1b, где V_2b и V_1b  –соответственно, объемы расширительного бака для низкотемпературного теплоносителя и воды. Замена ее на гликолевые растворы концентрацией 40–45 % и, соответственно, с температурой начала кристаллизации 30–35 ˚С в отопительных системах мощностью до 100 кВт потребует увеличения номинальных объемов расширительных баков на 5–15 %, в более производительных системах коррекцию лучше проводить, используя графики зависимости объема от мощности и типа теплоносителя (рис.3) или таблицы пересчета.

Рис. 3. Зависимость объема расширительного бака от мощности системы отопления:

а – вода; б – водный раствор моноэтиленгликоля 45 %

Важнейший параметр для антифризов – максимальные рабочие температуры. Кипеть при атмосферном давлении большинство гликолевых растворов начинает при 104–112 °C. Однако некоторые производители заявляют рабочие температуры значительно выше, до 150 ˚С и даже больше,  вполне приемлемые для гелиосистем. Принципиальное значение этот параметр имеет потому, что в отличие от воды при превышении допустимой температуры происходит необратимое разложение гликолевых растворов.

Поэтому выбор расширительного бака с запасом на запредельное увеличение температуры смысла не имеет: даже небольшой локальный перегрев приводит к столь серьезным деструктивным изменениям, что должен в принципе потребовать замены всего гликолевого теплоносителя.

Очень важно то, что гликолевые смеси имеют повышенную по сравнению с водой проницаемость или текучесть. Причем вероятность возникновения протечек тем больше, чем больше в отопительной системе соединений. А течи часто обнаруживаются при ее остывании, когда возникают проницаемые для антифриза микроканалы. Поэтому все соединения, выполненные ранее при установке расширительного бака, должны быть доступны для ревизии, не скрыты под облицовкой или замоноличены.

Таблица. 1. Физические характеристики теплоносителей

Параметр	Единица измерения	Вода	Моноэтиленгликоль 45 %	Моноэтиленгликоль 60 %
Температура замерзания	°С	0	–30	–48
Плотность*	кг/м3	972	1029	1048
Теплоемкость*	кДж/кг×°С	4,2	3,7	3,5
Кинематическая вязкость*	сСт	0,37	1,4	1,8
Коэффициент объемного теплового расширения	°С-1	4,5×10-4	5,3×10-4	6,0×10-4

*При t = 80 °С

Таблица 2. Физические характеристики водного раствора пропиленгликоля 47 %

Параметр	Единица измерения	Значение
Температура замерзания	°С	–30
Плотность*	кг/м3	999
Теплоемкость*	кДж/кг×°С	3,82
Коэффициент расширения	°С-1	6,73×10–4

Статья опубликована в журнале «Аква-Терм» №3 (87) 2015, рубрика «Мастер-класс»

Опубликовано: 02 ноября 2015 г.

вернуться назад

Читайте так же:

Температурный коэффициент объемного расширения жидкостей таблица. Тепловое расширение жидкостей

Температурное расширение жидкостисостоит в том, что она может изменять свой объем при изменении температуры. Это свойство характеризуется температурным коэффициентом объемного расширения , представляющим относительное изменение объема жидкости при изменении температуры на единицу (на 1 о C) и при постоянном давлении:

По аналогии со свойством сжимаемости жидкости можно записать

или через плотность

Изменение объёма при изменении температуры происходит за счёт изменения плотности.

Для большинства жидкостей коэффициент  t с увеличением давления уменьшается. Коэффициент  t с уменьшением плотности нефтепродуктов от 920 до 700 кг/м 3 увеличивается от 0,0006 до 0,0008 ; для рабочих жидкостей гидросистем  t обычно принимают не зависящим от температуры. Для этих жидкостей увеличение давления от атмосферного до 60 МПа приводит к росту  t примерно на 10 – 20 % . При этом, чем выше температура рабочей жидкости, тем больше увеличение  t . Для воды с увеличением давления при температуре до 50 о C  t растёт, а при температуре выше 50 о C уменьшается.

Растворение газов

Растворение газов — способность жидкости поглощать (растворять) газы, находящиеся в соприкосновении с ней. Все жидкости в той или иной степени поглощают и растворяют газы. Это свойство характеризуется коэффициентом растворимости k р .

Если в закрытом сосуде жидкость находится в контакте с газом при давленииP 1 , то газ начнёт растворяться в жидкости. Через какое-то время

произойдёт насыщение жидкости газом и давление в сосуде изменится. Коэффициент растворимости связывает изменение давления в сосуде с объёмом растворённого газа и объёмом жидкости следующим соотношением

где V Г – объём растворённого газа при нормальных условиях,

V ж – объём жидкости,

P 1 и P 2 – начальное и конечное давление газа.

Коэффициент растворимости зависит от типа жидкости, газа и температуры.

При температуре 20 ºС и атмосферном давлении в воде содержится около 1,6% растворенного воздуха по объему (k p = 0,016 ). С увеличением температуры от 0 до 30 ºС коэффициент растворимости воздуха в воде уменьшается. Коэффициент растворимости воздуха в маслах при температуре 20 ºС равен примерно 0,08 – 0,1 . Кислород отличается более высокой растворимостью, чем воздух, поэтому содержание кислорода в воздухе, растворенном в жидкости, примерно на 50% выше, чем в атмосферном. При уменьшении давления газ из жидкости выделяется. Процесс выделения газа протекает интенсивнее, чем растворение.

Кипение

Кипение – способность жидкости переходить в газообразное состояние. Иначе это свойство жидкостей называютиспаряемостью .

Жидкость можно довести до кипения повышением температуры до значений, больших температуры кипения при данном давлении, или понижением давления до значений, меньших давления насыщенных паров p нп жидкости при данной температуре. Образование пузырьков при понижении давления до давления насыщенных паров называется холодным кипением.

Жидкость, из которой удален растворенный в ней газ, называется дегазированной. В такой жидкости, кипение не возникает и при температуре, большей температуры кипения при данном давлении.

Главная > Закон

Прочность жидкости на разрыв при решении практических задач не учитывается. Температурное расширение капельных жидкостей характеризуется коэффициентом температурного расширения β t , выражающим относительное увеличение объема жидкости при увеличении температуры на 1 град, т. e.:

Где W — первоначальный объем жидкости; Δ W — изменение этого объема при повышении температуры на величину ΔТ . Коэффициент температурного расширения капельных жидкостей, как это видно из табл. 5, незначителен.

Таблица 5

Коэффициент температурного расширения воды
Давление Па∙10 4	При температуре, °С

Примеры гидравлических расчетов

Пример 1.1. В отопительной системе (котел, радиаторы, трубопроводы) частного дома содержится V = 0,3 м³ воды. Сколько воды дополнительно войдет в расширительный бак при нагревании от 20 до 80°С.

Решение:

Плотность воды при температуре t₁ = 20°С до t₂ = 80°С определим по таблице 4.1 (приложение 4):

Масса воды при начальной температуре

Объем, занимаемый водой при t₂ = 80°С

Таким образом, дополнительный объем составляет

.

Пример 1.2. В отопительный котел поступает 50 м³воды при температуре t₁ = 70°С. Какой объем V воды будет выходить из котла при нагреве воды до t₂ = 90°С.

Решение:

Из формулы

получаем дополнительный объем воды при нагревании

Коэффициент температурного расширения находим по таблице 4.4 (Приложение 4): .

Следовательно,

Таким образом, из котла при нагревании будет выходить объем воды

Пример 1.3. Определить среднюю толщину δ известковых отложений в герметичном водоводе внутренним диаметром d = 0,3 м и длиной l = 2 км. При выпуске воды в количестве ΔV=0,05 м³ давление в водоводе падает на величину Δp = 10⁶ Па. Считать, что отложения по диаметру и длине водовода распределены равномерно.

Решение:

Из формулы β_p = , определим объем воды в водоводе с отложениями:

Коэффициент объемного сжатия воды находим по табл.4.2 (Приложение 4) 5·10^-10 1/Па

Тогда

С другой стороны объем водовода с отложениями

Откуда выразим внутренний диаметр водовода с отложениями

Средняя толщина отложений

Задачи

Задача 1.1. Определить плотность жидкости ρ, полученной смешиванием объема жидкости V₁ = 0,02 м³ плотностью ρ₁ = 910 кг/м³ и объема жидкости V₂ = 0,03 м³ плотностью ρ₂ = 850 кг/м³.

Задача 1.2. Определить плотность топливной смеси (по весу) при следующем составе: керосин (ρ_к = 775 кг/м³) – 40%, мазут (ρ_м = 870 кг/м³) – 60%.

Задача 1.3. При гидравлическом испытании трубопровода длиной L = 1000 м и диаметром d = 100 мм давление поднималось от p₁ = 1 МПа до p₂ = 1,5 МПа. Определить объем жидкости ΔV, который был дополнительно закачан в водопровод. Коэффициент объемного сжатия β_P = 4,75·10^-10 1/Па.

Задача 1.4. При гидравлическом испытании трубопровода диаметром d = 0,4 м длиной L = 20 м и давление воды сначала было p₁ = 5,5 МПа. Через час давление упало до p₂ = 5,0 МПа. Определить, пренебрегая деформацией трубопровода, сколько воды вытекло при этом через неплотности. Коэффициент объемного сжатия β_P = 4,75·10^-10 1/Па.

Задача 1.5. Как изменится объем воды в системе отопления, имеющей вместимость V = 100 м³, после подогрева воды от начальной температуры t₁ = 15 °C до t₂ = 95 °C. Коэффициент температурного расширения β_t= 0,00072 1/°С.

Задача 1.6. Трубопровод диаметром d = 500 мм и длиной L = 1000 м наполнен водой при давлении p₁ = 400 кПа, и температуре воды t₁ = 5 °C. Определить, пренебрегая деформациями и расширением стенок труб, давление в трубопроводе при нагревании воды в нем до t₂ = 15 °C, если коэффициент объемного сжатия β_P = 5,18·10^-10 1/Па, а коэффициент температурного расширения β_t= 150·10^-6 1/°С.

Задача 1.7. Определить повышение давления, при котором начальный объем воды уменьшится на 3%. Коэффициент объемного сжатия воды β_P = 4,75·10^-10 1/Па.

Задача 1.8. При гидравлических испытаниях (проверке герметичности) подземного трубопровода длиной L = 500 м, диаметром d = 0,1 м давление в нем повысилось от от p₁ = 0 до p₂ = 1,0 МПа. Пренебрегая деформацией стенок трубопровода, определить объем воды, которую необходимо дополнительно закачать в трубопровод. Объемный модуль упругости воды принять равным Е = 2000 МПа.

Задача В.9. В трубопровод вместимостью 50 м³ во время испытаний было дополнительно закачано 0,05 м³ воды. Определить приращение давления в трубопроводе, если объемный модуль упругости воды Е = 2·10⁹ Па.

Задача В.10. Винтовой плунжерный насос для тарировки манометров работает на масле с коэффициентом объемного сжатия β_р = 0,625·10^-9 1/Па. Определить на сколько оборотов надо повернуть маховик винта, чтобы поднять давление внутри насоса на Δp = 0,1 МПа, если объем рабочей камеры пресса V = 628 см³, диаметр плунжера d = 20 мм, шаг винта h = 2 мм. Стенки рабочей камеры считать недеформируемыми.

Задача 1.11. Резервуар заполнен жидкостью, объем которой V = 8 м³. Определить коэффициент температурного расширения жидкости β_t, если при увеличении температуры от t₁ = 10 °С до t₂ = 20 °С объем жидкости увеличился на 6 л.

Задача 1.12. В отопительный котел поступает объем воды V = 80 м³ при температуре t₁ = 60 °С. Какой объем воды V₁ будет выходить из котла при нагреве воды до температуры t₂ = 90 °С.

Задача 1.13. Для периодического аккумулирования дополнительного объема воды, получающегося при изменении температуры, к системе водяного отопления в верхней ее точке присоединяют расширительные резервуары, сообщающиеся с атмосферой. Определить наименьший объем расширительного резервуара, чтобы он полностью не опоражнивался. Допустимое колебание температуры воды во время перерывов в топке Δt = 30 °C. Объем воды в системе V = 0,7 м³. Коэффициент температурного расширения воды при средней температуре t = 80 °С β_t= 6·10^-4 1/°С.

Задача 1.14. Определить среднюю толщину отложений в герметичном водоводе внутренним диаметром d = 0,5 м и длиной l = 3 км. При выпуске воды объемом ΔV = 0,08 м³ давление в водоводе падает на Δр = 1 МПа. Отложения по диаметру и длине водовода распределены равномерно. Коэффициент объемного сжатия воды сжатия β_р = 5·10^-10 1/Па.

Задача 1.15. Стальной водовод диаметром d = 0,4 м и длиной l = 1 км, проложенный открыто, находится под давлением р = 2 МПа при температуре воды t₁ = 10 °С. Определить давление воды в водоводе при повышении температуры до t₂ = 15 °С в результате наружного прогрева.

Задача 1.16. Определить изменение плотности воды при увеличении давления от p₁ = 100 кПа до p₂ = 10000 кПа. При изменении давления температура воды не изменяется, коэффициент объемного сжатия β_р = 5·10^-10 1/Па.

Задача 1.17. В отопительной системе дома содержится V = 0,4 м³ воды при температуре t₁ = 15°C. Определить объем воды, который дополнительно войдет в расширительный бачок при повышении температуры до t₂ = 90°С.

Задача 1.18. Определить изменение плотности воды при изменении температуры от t₁ = 5 °С до t₂ = 95 °С.

Задача 1.19. Вязкость нефти, определенная вискозиметром, составила 4 °Е, а ее плотность ρ =880 кг/м³. Определить кинематический и динамический коэффициенты вязкости нефти.

Задача 1.20. Определить ротационным вискозиметром вязкость жидкости плотностью ρ = 920 кг/м³. Вес груза G = 80 Н, диаметры цилиндра D_ц = 225 мм, барабана D_б = 223 мм, шкива d = 200 мм. Глубина погружения барабана в жидкость lб = 250 мм. Время опускания груза t_гр = 12 с, путь l_гр = 300 мм.

Примечание: Схема ротационного вискозиметра: в цилиндре 1 установлен барабан 2, вращающийся под действием опускающегося груза 3. Цилиндр закреплен на основании 4.

Тепловое расширение — Википедия

Материал из Википедии — свободной энциклопедии

Тепловое расширение (также используется термин «термическое расширение») — изменение линейных размеров и формы тела при изменении его температуры. Количественно тепловое расширение жидкостей и газов при постоянном давлении характеризуется изобарным коэффициентом расширения (объёмным коэффициентом теплового расширения). Для характеристики теплового расширения твёрдых тел дополнительно вводят коэффициент линейного теплового расширения.

Раздел физики, изучающий данное свойство называется дилатометрией (см. дилатометр).

Тепловое расширение тел учитывается при конструировании всех установок, приборов и машин, работающих в переменных температурных условиях.

Основной закон теплового расширения гласит, что тело с линейным размером L{\displaystyle L} в соответствующем измерении при увеличении его температуры на ΔT{\displaystyle \Delta T} и отсутствии внешних механических сил расширяется на величину ΔL{\displaystyle \Delta L}, равную:

ΔL=αLΔT{\displaystyle \Delta L=\alpha L\Delta T},

где α{\displaystyle \alpha } — так называемый коэффициент линейного теплового расширения. Аналогичные формулы имеются для расчета изменения площади и объема тела. В приведенном простейшем случае, когда коэффициент теплового расширения не зависит ни от температуры, ни от направления расширения, вещество будет равномерно расширяться по всем направлениям в строгом соответствии с вышеприведенной формулой.

Если в твердом теле основным механизмом расширения и других тепловых эффектов является увеличение амплитуды колебаний кристаллической решетки, то в случае жидкости — это уменьшение числа ближайших соседей Z, которое характеризует ближний порядок (кристалл обладает как дальним, так и ближним порядком, жидкость — только ближним, газ — никаким; следовательно, кристалл сохраняет и объем, и форму, жидкость — только объем, а газ не имеет ни фиксированного объёма, ни формы). Поэтому простая дырочная модель жидкости^[1], исходящая из наличия в жидкости ближнего топологического порядка, характеризующегося числом ближайших соседей Z, хорошо описывает тепловое расширение и другие температурные эффекты вплоть до критической температуры, по крайней мере, в достаточно простых жидкостях^[2].