Jak se mění objem vody s teplotou?

Jak známo, naprostá většina látek v přírodě má tu vlastnost, že se s rostoucí teplotou rozpíná. Odpovídající charakteristikou je koeficient tepelné roztažnosti, který odráží změnu objemu média nebo lineárních rozměrů tělesa při zahřátí o 1 °C za podmínek konstantního tlaku (v prvním případě hovoříme o koeficientu tepelné objemové expanze, ve druhé – lineární expanze).

Rýže. 1. Závislost objemu vody na teplotě

Koeficient tepelné roztažnosti vody

S rostoucí teplotou se koeficient objemové tepelné roztažnosti vody mění nerovnoměrně (obr. 1): v rozmezí od 0 do 4 °C se objem vody zcela zmenšuje (tato vlastnost hraje důležitou roli v přírodních nádržích s dalším ohřevem se hodnota koeficientu mění, jak je znázorněno na); tab. jeden.

Co to v praxi znamená. Přibližný objem vody v topném systému jednotlivého domu o tepelném výkonu 30 kW je 450 l (v přibližných výpočtech je povolen odběr 15 l/kW). V tab. jeden Jsou uvedeny výpočty, které ukazují, že při zahřátí z 5 na 80 °C bude nárůst tohoto objemu asi 13 litrů.

Pro zachycení dodatečného objemu kapaliny vzniklého při jejím zahřívání je topný systém vybaven expanzní nádobou (expansomat). Dříve byly v této kapacitě široce používány otevřené (s přístupem atmosférického vzduchu) nádrže, umístěné v nejvyšším bodě systému – obvykle v podkroví domu. Toto řešení, přestože se používá dodnes, nesplňuje moderní požadavky na prvky topných systémů a přednost je dávána membránové expanzní nádobě: lze ji instalovat kdekoli v domě (i přímo v kotelně), neumožňuje kyslík vstupuje do chladicí kapaliny (tj. hlavní faktor koroze zařízení je eliminován) a pracovní tekutina se neztrácí v důsledku odpařování.

Pokud v otevřeném topném systému vede tepelná roztažnost vody ke zvětšení jejího objemu s výsledným „přebytkem“ pohybujícím se do expanzní nádrže, pak v uzavřeném potrubí bude výsledkem zvýšení tlaku.

hodnota Δp přímo úměrné součiniteli tepelné roztažnosti a nepřímo úměrné součiniteli objemové komprese vody (v závislosti na tlaku v rozmezí 1–25 bar – 49,51∙10 -11 Pa, v hydraulických výpočtech se bere 4,9 ∙ 10-10 Pa):

Δp = β_t • Dt / β_v, Pa.

Prezentováno v tab. jeden Výsledky výpočtu ukazují, jak výrazný je nárůst tlaku při ohřevu vody o 75 °C v uzavřeném potrubí – několikanásobně vyšší než destrukční tlak plného bimetalového radiátoru, nemluvě o dalších prvcích topného systému. Korekce deformace potrubí a zařízení tuto hodnotu sníží, ale situaci radikálně nezmění.

Konstrukce expanzních nádrží

Kromě nutnosti expanzní nádoby ukazují získané údaje důležitost jejího správného výběru (při nedostatečném objemu je nevyhnutelná destrukce membrány) a také nutnost kompenzovat tepelnou roztažnost vody v uzavřené potrubí i při relativně malém rozdílu teplot. Například v systému zásobování studenou vodou v bytě může nastat nouzová situace, kdy se příchozí voda samovolně ohřeje na pokojovou teplotu a přívodní kohout je uzavřen.

Existují dvě hlavní provedení membránových expanzních nádrží. Nejjednodušší je s membránou (okvětní lístek) pevně upevněnou na spoji poloskořepin. Takové modely mají nižší cenu a jsou široce používány, ale mají nevýhody, z nichž hlavní je kontakt chladicí kapaliny s materiálem těla a nemožnost opravy v případě poškození membrány. Nádrže druhého typu jsou vybaveny výměnnou membránou – balónovou nebo kulovou, umístěnou do těla hrdlem s přírubou ( obr. 2 ). Jsou opravitelné, eliminují korozi kovových stěn z kontaktu s pracovním prostředím a vyznačují se úplnějším vyplněním vnitřního prostoru pouzdra (užitného objemu) než expanzní komory s membránovou membránou.

Obr. 2. Návrh expanzních nádrží s vyměnitelnou membránou VRV

Princip fungování obou typů membránových nádrží je stejný: vnitřní objem nádrže je rozdělen elastickou přepážkou na dvě dutiny – vzduchovou a vodní. Když se kapalina v systému zahřeje a její objem se zvětší, je vodní dutina vyplněna napínáním membrány a stlačováním plynu (vzduchu nebo dusíku) v prostoru mezi ní a pouzdrem. Při ochlazení chladicí kapaliny probíhají reverzní procesy – stlačení kapaliny a membrány, expanze plynu.

Tlak vzduchového polštáře je nastaven tak, aby při nefunkčnosti topného systému byl kompenzován statický tlak chladicí kapaliny v něm a membrána byla v rovnovážném stavu (více čtěte v článku o výpočtu a umístění membránové nádrže). Membránové expanzní nádoby se obvykle prodávají s přednastaveným tlakem 1,5 baru. Aby bylo možné regulovat a udržovat předtlak, je membránová nádrž vybavena vsuvkou.

Materiály pro výrobu membrán v současnosti zahrnují různé elastomery – přírodní kaučuk (používaný při výrobě nádrží na zásobování studenou vodou) a syntetický kaučuk – butyl, styren-butadien (SBR), nitril-butadien (NBR), ale i etylen -propylen-dien monomer (EPDM), který se osvědčil v inženýrských systémech pro různé účely. EPDM membrány jsou elastické, tepelně odolné, hygienické a trvanlivé (životnost se odhaduje na 100 tisíc cyklů dynamického zatížení), proto jsou široce používány v nádržích pro vytápění a zásobování vodou včetně pitné vody. V běžně provozovaných topných systémech nepodléhají membrány expanzní komory náhlým dynamickým vlivům (změna objemu chladicí kapaliny probíhá zcela plynule), proto jsou na ně kladeny hlavní požadavky tepelná odolnost a životnost. EPDM tato kritéria dokonale splňuje.

Výroba membrán expanzních nádrží je regulována evropskou normou DIN 4807-3 „Expanzní nádrže, elastomerové membrány pro expanzní nádrže. Technické požadavky a testování“ (Expanzní nádoby; elastomerní membrány; požadavky a testování).

Na obr. 3 Zobrazeny náhradní EPDM membrány. K přírubě nádrže se připevňují pomocí protipříruby s navařeným spojovacím šroubením a uprostřed perforovaným děličem průtoku. Pokud membrána praskne (pokud k tomu dojde), je snadné ji sejmout a vyměnit za novou nebo opravit (poškození můžete zalepit sami nebo zajít do nejbližší pneuservisu na vulkanizaci).

Rýže. 3. Náhradní EPDM membrány pro expanzní nádrže

Těleso membránové expanzní nádoby je obvykle vyrobeno z tvárné uhlíkové oceli pomocí hlubokého lisování za studena s následným nátěrem epoxidovým emailem. Vnitřní povrch expanzních komor s výměnnou membránou se obvykle nenatírá a pro eliminaci rizika koroze v důsledku kondenzace je do vzduchové dutiny na provozovně čerpán chemicky neutrální dusík.

Vertikální nádrže o objemu 50 litrů a více jsou zpravidla vybaveny nohami pro instalaci na podlahu. Menší modely (obvykle do 35 litrů včetně) se zavěšují přímo na potrubí nebo se připevňují ke stěně pomocí speciálních držáků (konzol).

Tabulka 4. Technické vlastnosti expanzních nádrží VALTEC

Pohodlnou instalaci expanzních nádob do systémů o výkonu až 44 kW zajišťuje bezpečnostní skupina expanzní nádoby VT.495 (obr. 4), což je dutá ocelová pozinkovaná konzola s přírubou pro montáž na stěnu a předinstalovaná sada vodovodních zařízení skládající se z pojistného ventilu, automatického odvzdušňovače a tlakoměru. K dispozici jsou také dvě závitové trubky – pro připojení skupiny k systému a připojení expanzní nádrže. Rozměry konzolové bezpečnostní skupiny umožňují přímo na ni zavěsit expanzní nádoby o velikosti až 50 litrů.

Rýže. 4. Bezpečnostní skupina expanzní nádoby VT.495

Důležitým a užitečným doplňkem expanzních nádrží topných a teplovodních systémů je také odnímatelný uzavírací ventil VT.538, který umožňuje odpojit membránové nádrže od potrubí bez jeho vyprázdnění.

Vážení čtenáři! Od zveřejnění tohoto článku mohlo dojít ke změnám v sortimentu naší společnosti, praxi používání zařízení a regulačních dokumentech. Informace, které vám nabízíme, jsou užitečné, ale slouží pouze pro informační účely.

© Držitel autorských práv Vesta Regions LLC, 2010
Všechna autorská práva vyhrazena. Při kopírování článku je vyžadován odkaz na držitele autorských práv a/nebo na webovou stránku valtec.ru.

Pro zlepšení výkonu webu a jeho uživatelské zkušenosti používáme soubory cookie. Pokračováním v používání stránek souhlasíte s používáním cookies. Cookies můžete vždy zakázat v nastavení vašeho prohlížeče. Přečtěte si více o cookies.

MOSKVA
108851, Moskva, Shcherbinka,
Svatý. Zheleznodorozhnaya, 32, budova 1
tel.: +7 (495) 228-30-30 SAINT PETERSBURG
192019, Petrohrad,
Svatý. Profesorky Kachalové, 11
tel.: +7 (812) 324-77-50 SAMARA
443031, Samara,
9 paseka, 2. průchod, 16 A
tel.: +7 (846) 269-64-54 ROSTOV-NA-DON
344018, Rostov na Donu,
ulice. Tekucheva, budova 139/94
tel.: +7 (863) 306-56-00 KRASNODÁR
350033, Krasnodar,
Svatý. Stavropolskaja, 5 B
tel.: +7 (861) 214-98-92 JEKATERINBURG
620016, Jekatěrinburg,
Svatý. Akademik Vonsovský, 1 A
tel.: +7 (343) 278-24-90

Japonský fyzik Masakazu Matsumoto předložil teorii, která vysvětluje, proč se voda při zahřátí z 0 na 4 °C smršťuje, místo aby expandovala. Voda podle jeho modelu obsahuje mikroformace – „vitrity“, což jsou konvexní duté mnohostěny, jejichž vrcholy obsahují molekuly vody a okraje jsou vodíkové můstky. Se stoupající teplotou spolu soutěží dva jevy: prodlužování vodíkových vazeb mezi molekulami vody a deformace vitritů, vedoucí k úbytku jejich dutin. V teplotním rozsahu od 0 do 3,98 °C dominuje posledně jmenovaný jev nad účinkem prodlužování vodíkových vazeb, což v konečném důsledku dává pozorovanou kompresi vody. Zatím neexistuje žádné experimentální potvrzení Matsumotova modelu, stejně jako další teorie vysvětlující kompresi vody.

Na rozdíl od naprosté většiny látek dokáže voda při zahřátí zmenšit svůj objem (obr. 1), to znamená, že má negativní koeficient tepelné roztažnosti. Nemluvíme však o celém teplotním rozsahu, kde voda existuje v kapalném stavu, ale pouze o úzkém úseku – od 0°C do přibližně 4°C. S bоPři vyšších teplotách voda, stejně jako jiné látky, expanduje.

Mimochodem, voda není jedinou látkou, která má tu vlastnost, že se při zvýšení teploty smršťuje (nebo expanduje při ochlazování). Podobným chováním se může pochlubit i vizmut, galium, křemík a antimon. Vzhledem ke své složitější vnitřní stavbě a také její rozšířenosti a významu v různých procesech však pozornost vědců přitahuje právě voda (viz Studium struktury vody pokračuje, „Elementy“, 09.10.2006. XNUMX. XNUMX ).

Před časem obecně uznávanou teorií odpovědí na otázku, proč voda s klesající teplotou zvětšuje svůj objem (obr. 1), byl model směsi dvou složek – „normální“ a „ledové“. Tato teorie byla poprvé navržena v XNUMX. století Haroldem Whitingem a později byla vyvinuta a vylepšena mnoha vědci. Relativně nedávno, v rámci objeveného polymorfismu vody, byla Wietingova teorie přehodnocena. Nyní se věří, že v podchlazené vodě existují dva typy nanodomén podobných ledu: amorfní oblasti podobné ledu s vysokou a nízkou hustotou. Zahřívání podchlazené vody vede k roztavení těchto nanostruktur a vzniku dvou typů vody: s vyšší a nižší hustotou. Vychytralá teplotní konkurence mezi dvěma „třídami“ výsledné vody dává vzniknout nemonotonické závislosti hustoty na teplotě. Tato teorie však zatím nebyla experimentálně potvrzena.

S tímto vysvětlením musíte být opatrní. Ne náhodou se zde bavíme pouze o strukturách, které připomínají amorfní led. Faktem je, že nanoskopické oblasti amorfního ledu a jeho makroskopické analogy mají různé fyzikální parametry.

Japonský fyzik Masakazu Matsumoto se rozhodl najít vysvětlení pro zde diskutovaný efekt „od nuly“, přičemž zavrhl teorii dvousložkové směsi. Pomocí počítačových simulací zkoumal fyzikální vlastnosti vody v širokém teplotním rozsahu – od 200 do 360 K při nulovém tlaku – aby v molekulárním měřítku pochopil skutečné důvody expanze vody, když se ochladí. Jeho článek v časopise Fyzické revizní dopisy jmenuje se: Proč se voda při ochlazování roztahuje? („Proč voda expanduje, když se ochladí?“).

Původně si autor článku položil otázku: co ovlivňuje koeficient tepelné roztažnosti vody? Matsumoto věří, že k tomu stačí zjistit vliv pouze tří faktorů: 1) změny délky vodíkových vazeb mezi molekulami vody, 2) topologický index – počet vazeb na molekulu vody a 3) odchylka úhel mezi vazbami od rovnovážné hodnoty (úhlové zkreslení).

Obr. 2. Pro molekuly vody je nejvýhodnější spojit se do shluků s úhlem mezi vodíkovými vazbami rovným 109,47 stupňů. Tento úhel se nazývá čtyřstěn, protože je to úhel spojující střed pravidelného čtyřstěnu a jeho dva vrcholy. Obrázek z lsbu.ac.uk

Než budeme hovořit o výsledcích získaných japonským fyzikem, učiníme důležité poznámky a upřesnění týkající se výše uvedených tří faktorů. Za prvé, obvyklý chemický vzorec vody je H₂O odpovídá pouze jeho parnímu stavu. V kapalné formě se molekuly vody spojují do skupin pomocí vodíkových vazeb (H₂O)_xKde x – počet molekul. Energeticky nejvýhodnější kombinace pěti molekul vody (x = 5) se čtyřmi vodíkovými vazbami, ve kterých se tvoří vazby rovnováhaTzv. čtyřstěnný úhel, rovnající se 109,47 stupňů (viz obr. 2).

Po analýze závislosti délky vodíkové vazby mezi molekulami vody na teplotě dospěl Matsumoto k očekávanému závěru: zvýšení teploty vede k lineárnímu prodloužení vodíkových vazeb. A to zase vede ke zvětšení objemu vody, tedy k její expanzi. Tato skutečnost odporuje pozorovaným výsledkům, proto dále zkoumal vliv druhého faktoru. Jak závisí koeficient tepelné roztažnosti na topologickém indexu?

Počítačové modelování poskytlo následující výsledek. Při nízkých teplotách procentuálně největší objem vody zaujímají vodní shluky, které mají 4 vodíkové vazby na molekulu (topologický index je 4). Zvýšení teploty způsobí pokles počtu shluků s indexem 4, ale zároveň se začne zvyšovat počet shluků s indexy 3 a 5 Po provedení numerických výpočtů zjistil Matsumoto, že místní objem shluků s topologickým index 4 se s rostoucí teplotou prakticky nemění a změna celkového objemu asociátů s indexy 3 a 5 při jakékoli teplotě se vzájemně kompenzují. V důsledku toho změna teploty nemění celkový objem vody, a proto topologický index nemá žádný vliv na kompresi vody při jejím zahřívání.

Zbývá objasnit účinek úhlového zkreslení vodíkových vazeb. A tady začíná to nejzajímavější a nejdůležitější. Jak bylo uvedeno výše, molekuly vody mají tendenci se sjednocovat, takže úhel mezi vodíkovými vazbami je čtyřstěnný. V tom jim však brání tepelné vibrace molekul vody a interakce s jinými molekulami nezahrnutými do shluku, které vychylují úhel vodíkové vazby z rovnovážné hodnoty 109,47 stupně. Pro kvantifikaci tohoto procesu úhlové deformace Matsumoto a kolegové navázali na svou předchozí práci Topologické stavební bloky sítí vodíkových vazeb ve vodě, publikovanou v roce 2007. Journal of Chemical Physics, předpokládali existenci trojrozměrných mikrostruktur ve vodě, které připomínají konvexní duté mnohostěny. Později, v následujících publikacích, nazývali takové mikrostruktury vitríny (obr. 3). V nich jsou vrcholy molekuly vody, roli hran hrají vodíkové vazby a úhel mezi vodíkovými vazbami je úhel mezi hranami ve vitritu.

Podle Matsumotovy teorie existuje obrovská rozmanitost forem vitritidy, které stejně jako mozaikové prvky tvoří většinu struktury vody a které zároveň rovnoměrně vyplňují celý její objem.

Obr. 3. Šest typických vititů tvořících vnitřní strukturu vody. Kuličky odpovídají molekulám vody, segmenty mezi kuličkami označují vodíkové vazby. Vitity splňují slavnou Eulerovu větu pro mnohostěny: celkový počet vrcholů a ploch mínus počet hran je roven 2. To znamená, že vitity jsou konvexní mnohostěny. Další typy vitritu si můžete prohlédnout na vitrite.chem.nagoya-u.ac.jp. Rýže. z článku Masakazu Matsumoto, Akinori Baba a Iwao Ohminea Network Motif of Water publikovaného v časopise AIP Conf. Proč.

Molekuly vody mají tendenci vytvářet ve vitritech čtyřstěnné úhly, protože vitrity musí mít nejnižší možnou energii. V důsledku tepelných pohybů a lokálních interakcí s jinými vitity však některé mikrostruktury nevykazují geometrie s čtyřstěnnými úhly (nebo úhly blízké této hodnotě). Přijímají takové strukturně nerovnovážné konfigurace (které pro ně nejsou z energetického hlediska nejpříznivější), které umožňují celé „rodině“ vitritů jako celku získat nejnižší energetickou hodnotu z možných. Taková vitritida, tedy vitritida, která se zdá, že se obětuje „společným energetickým zájmům“, se nazývá frustrovaná. Pokud je u nefrustrované vitrice objem dutiny při dané teplotě maximální, pak frustrovaná vititida má naopak minimální možný objem.

Počítačové modelování provedené Matsumotem ukázalo, že průměrný objem vitritových dutin lineárně klesá s rostoucí teplotou. V tomto případě frustrovaná vititida výrazně zmenšuje svůj objem, zatímco objem dutiny nefrustrované vitrice zůstává téměř nezměněn.

Stlačování vody s rostoucí teplotou je tedy způsobeno dvěma konkurenčními efekty – prodloužením vodíkových vazeb, což vede ke zvětšení objemu vody, a zmenšením objemu dutin frustrovaných vitritů. V teplotním rozsahu od 0 do 4°C je posledním jevem, jak ukázaly výpočty, převládá, což v konečném důsledku vede k pozorovanému stlačení vody s rostoucí teplotou.

Zbývá počkat na experimentální potvrzení existence vitritů a jejich chování. Ale to je bohužel velmi obtížný úkol.

Zdroj: Masakazu Matsumoto. Proč voda expanduje, když se ochladí? // Phys. Rev. Lett. 103, 017801 (2009).