Расчёт мембранного бака для систем водоснабжения

Мембранный бак представляет собой специализированное устройство, которое эффективно применяется для компенсирования увеличения объема воды, которая расширяется под воздействием температурного изменения в инженерских системах питьевого водоснабжения и отопления

Как устроен мембранный бак

Чтобы понять, как работает мембранный бак, стоит рассмотреть его основные узлы. Каждый элемент выполняет свою роль в поддержании стабильного давления и корректной циркуляции жидкости в системе

1. Газовый клапан (на корпусе сверху)
2. Азотная подушка
3. Сменная EPDM мембрана
4. Стальной бак
5. Расширяющаяся вода
6. Крепление мембраны
7. Опоры
8. Подключение системы

Таким образом, конструкция мембранного бака продумана до мелочей — все элементы работают согласованно, обеспечивая надёжную и безопасную работу системы водоснабжения или отопления

Область применения

Мембранные баки находят широкое применение в различных инженерных системах для поддержания стабильного давления и защиты оборудования от гидроударов. Основные области применения мембранных баков включают:

Мембранный бак — это не просто дополнительный элемент системы, а гарантия её стабильной и долговечной работы. От правильного выбора объёма, типа мембраны и материала корпуса напрямую зависит эффективность насосного оборудования, отсутствие перепадов давления и комфорт пользователей. Поэтому подход к подбору должен быть технически обоснованным, а не «на глаз»

Принцип действия

Чтобы понять, зачем системе нужен этот элемент, важно рассмотреть сам принцип действия мембранного бака. Его работа заключается в поддержании постоянного давления и компенсации объёмных колебаний жидкости при подаче и расходе воды

Схема заполнения мембранного бака

• При понижении давления в системе до уровня, выставленного автоматикой, насос включается
• Если расход воды из системы меньше подачи насоса, давление повышается и вода начинает поступать в мембранную полость бака
• Объем газа в воздушной камере уменьшается на величину поступающего объема воды, давление газа увеличивается

Схема работы мембранного бака

• При повышении давления в системе до уровня, выставленного автоматикой, насос выключается
• При открытии водоразбора вода начинает поступать в систему из мембранной полости бака
• Вода будет выходить из бака до тех пор, пока давление в системе не понизится до уровня включения насоса

Способы поддержания давления в системе

Поддержание правильного давления в мембранных баках важно для стабильной работы системы водоснабжения и предотвращения поломок оборудования. На следующих график визуально видно показатели насосов с постоянным числом оборотов и с изменяемым числом оборотов

Поддержание рабочего давления насосами с постоянным числом оборотов

Поддержание рабочего давления насосами с изменяемым числом оборотов (с ПЧ)

Типы подключения к системе

После того как понятен принцип действия мембранного бака, стоит рассмотреть, как именно он подключается к системе. От схемы подключения зависит не только стабильность давления, но и общий ресурс насосного оборудования. Существуют разные варианты установки — каждый из них подходит под определённые условия эксплуатации и тип системы

Тип B,C — это европейские стандарты (изготовлено по европейским нормам DIN/DVGW)

Тип A

Тип B

Тип C

Размещение мембранных баков и насосов

После выбора способа подключения возникает не менее важный вопрос — где именно размещать мембранный бак относительно насосной установки. Правильное расположение оборудования напрямую влияет на эффективность всей системы: от этого зависит стабильность давления, защита от гидроударов и срок службы насоса. В зависимости от типа системы бак может устанавливаться как перед насосом, так и после него, — и у каждого варианта есть свои технические особенности и причины выбора

Размещение после насосной установки

Мембранный бак исключает колебания давления в системе, поддерживая его на стабильном уровне независимо от интенсивности водоразбора. Тем самым он уменьшает число пусков насоса, снижая нагрузку на электродвигатель и продлевая срок службы оборудования. Одновременно бак создаёт запас воды под давлением, который обеспечивает мгновенную подачу при открытии крана и поддерживает систему в рабочем состоянии даже при кратковременном отключении питания

Размещение перед насосной установкой

Мембранный бак исключает негативное влияние на наружную сеть при включении и выключении насосов. Благодаря его наличию гидравлические удары и резкие скачки давления, возникающие в момент запуска или остановки оборудования, эффективно компенсируются внутри бака. Это защищает трубопроводы, арматуру и узлы подключения от избыточных нагрузок, снижая риск утечек, разгерметизации и преждевременного износа элементов сети

СП по гидропневматическим (мембранным) бакам

Для корректной и технически- правильной работы оборудования, необходимо понимать нормативные правила использования. Свод правил устанавливает требования к изготовлению элементов трубопровода, методам их сборки и сварки, а также условиям выполнения монтажных работ. Он также определяет стандарты контроля качества трубопроводов, изготовленных из разных материалов

Мембранный бак VS Насосная установка с ПЧ

С технической точки зрения мембранный бак выполняет следующие функции:

Примеры расчета объема гидропневматического бака

Стоит обратить пристальное внимание на правильные варианты расчетов объема гидробаков, ведь, неправильно подобранные характеристики могут вызвать перегревание или кавитацию, как следствие — выход оборудования из строя. Обратимся к двум формулам (хоз-питьевые установки):

Для наглядности рассмотрим несколько примеров расчёта мембранного бака в типовых условиях эксплуатации. Каждый вариант показывает, как изменяются исходные данные — давление, объём, расход — и как эти параметры влияют на выбор оптимальной ёмкости бака. Такие примеры помогают быстро оценить порядок величин и понять, как применять расчётные формулы на практике

Давление включения/выключения насосов

Под входным давлением насоса подразумевается давление в точке подключения всасывающего трубопровода к насосу. Это давление формируется либо за счёт давления, подаваемого водопроводной системой, либо давления, создаваемого системой повышения давления при подаче воды из буферной емкости

Общая схема с точками подключения

На схеме показано распределение напоров и уровней давления по высоте здания при подаче воды через насосную установку

• В нижней части видно подключение к городской водопроводной сети — источник исходного давления (Hвх)
• Далее линия ведёт к насосной станции повышения давления, которая компенсирует нехватку напора для подачи воды на верхние этажи
• Красным кругом отмечено место установки мембранного бака, выполняющего функции стабилизации давления, компенсации пульсаций и защиты от гидроударов
• Вертикальные стрелки и подписи (Hп, Hвх, Hтр, Δp и др.) обозначают потери давления, высоту подъёма и требуемый напор насоса
• Линии, проложенные по этажам, иллюстрируют распределение давления в точках водоразбора и падение напора по мере удаления от насосов

Какое давление воздуха должно быть в баке

Таблица предназначена для подбора давления азота в мембранном баке (PN) в зависимости от давления включения основного насоса (PE). Эти параметры необходимо соблюдать, чтобы обеспечить корректную работу бака и всей системы водоснабжения

• PE (бар) — давление, при котором насосная установка включается в работу
• PN (бар) — давление предварительной подкачки (преднакачки) азота в мембранной полости бака

Соотношения между этими величинами подбираются так, чтобы мембрана работала в оптимальном диапазоне — не допуская её избыточного растяжения или сжатия

Правильно подобранные значения давления включения и выключения насосов обеспечивают стабильную работу всей системы водоснабжения и оптимальную нагрузку на оборудование. Несбалансированные уставки приводят к частым пускам, нестабильному напору и ускоренному износу мембраны бака. Поэтому при настройке важно учитывать реальные гидравлические потери, высоту подъёма и требуемое давление на верхних точках водоразбора

Гидропневматические баки перед насосными установками

Установка гидропневматического бака перед насосной станцией применяется в тех случаях, когда требуется стабилизировать давление на входе, компенсировать колебания расхода и защитить насосы от кавитации. Такой бак служит буфером между внешней сетью и насосным оборудованием: он сглаживает неравномерность подачи из городской системы, аккумулирует запас воды и предотвращает резкие перепады давления при включении или выключении насосов

Размещение гидропневматического бака на входе особенно эффективно в системах с переменным притоком, когда давление в подающей сети нестабильно или возникает риск подсоса воздуха. В этом случае бак играет роль гидравлического стабилизатора, обеспечивая равномерную подачу воды к насосам и продлевая срок службы всего агрегата

Последовательная схема использования

В последовательной схеме использования насосных установок с частотным преобразователем существует риск появления автоколебаний. Рекомендации для предотвращения автоколебаний:

1. Избегать каскадных схем (не допускается согласно СП30.13330)
2. Использовать первую по ходу воды подкачивающую насосную установку без частотного преобразователя
3. Использовать первую по ходу воды подкачивающую насосную установку без частотного преобразователя

Норматив DVGW, DIN

Последовательная схема применения

Москва-Сити, Башня Федерация

Башня Федерация

Экспериментальные образцы для обзора — мембранные баки Wilo

Для практической оценки работы и конструктивных решений были использованы экспериментальные образцы мембранных баков Wilo, предназначенные для систем водоснабжения и повышения давления. Эти модели выбраны не случайно: оборудование Wilo отличается стабильными техническими характеристиками, продуманной компоновкой и удобством обслуживания, что делает их удобными для проведения сравнительных испытаний и анализа эксплуатационных параметров

Мембранный бак WB 900L 10B G2" BASE

Текст

• WB — обозначение мембранного расширительного бака 900L (объём в литрах)
• 10В — давление в барах (10 бар, 16 бар, 25 бар и др.)
• G2" подсоединение резьбовое 2" (1”,1/4” и др.)
• ВАЅЕ — модификация с опорами
• Другие возможные обозначения, Н — горизонтально располагаемый бак, Ѕ — бак сферической формы

Особенности/преимущества продукции

• Материал мембраны EPDM
• Температура жидкости -10...+110°С
• Мембрана пригодна для питьевой воды
• Отверстие на опорах для крепления к фундаменту 14 мм
• Возможно использовать водо-гликолевую смесь в качестве теплоносителя с концентрацией менее 50%

Выводы

Проведённый анализ показал, что необходимость установки мембранных баков в системе водоснабжения с динамичным переменным расходом напрямую зависит от типа насосного оборудования и характера регулирования давления

Установка мембранных баков после насосов не требуется, если:

• Используются насосные установки Wilo COR-…/SKW-R с частотным регулированием (ПЧ)
• Расчётный расход системы поддерживается в диапазоне, соответствующем производительности насосов по литрам в секунду

Однако в ряде случаев установка мембранных баков после насосов является обязательной, так как отсутствие демпфирующего объёма может привести к неустойчивой работе системы и повышенному износу насосного оборудования. Это актуально, если:

• Насосы подбираются на расход в литрах в секунду без использования частотного преобразователя
• Насосы подбираются на меньший расход, чем предусмотрено расчётом — независимо от наличия ПЧ

Объём мембранного бака в таких случаях определяется по СП 30.13330.2020, раздел 14, где приведены расчётные зависимости для систем водоснабжения

Кроме того, установка мембранных баков между насосами обязательна при последовательном (каскадном) размещении насосных установок. В этом случае бак служит гидравлическим разделителем и стабилизатором давления между ступенями, а его объём должен составлять не менее 300 литров

Таким образом, правильный выбор места установки и объёма мембранного бака обеспечивает устойчивую работу системы при переменном расходе, защищает оборудование от гидроударов и продлевает срок службы насосной установки