ถังขยายตัวในระบบน้ำเย็น

ถังขยายตัว(Expansion tank)เป็นอุปกรณ์ที่ใช้ควบคุมแรงดันในท่อที่เกิดการขยายตัวของน้ำเย็นเมื่ออุณหภูมิเปลี่ยนแปลงและรองรับการกระแทกของน้ำจากการเปลี่ยนอัตราการไหล การถังของขยายตัวจึงมีผลต่อระบบและอายุการใช้งานของระบบ ผู้ออกแบบ ผู้ติดตั้ง ผู้ควบคุมงาน และผู้ที่รับผิดชอบการควบคุม ซ่อมแซมบำรุงรักษาระบบปรับอากาศด้วยน้ำเย็นจะต้องเข้าใจการทำงาน การเลือกขนาดถังขยายตัว ปัญหาที่อาจเกิดแก่ระบบท่อ และแนวทางการแก้ไข เพื่อให้ได้ระบบท่อที่ดีมีคุณภาพ

ถังเปิดหรือถังบรรยากาศ ถังเปิดจะมีผิวน้ำสัมผัสบรรยากาศ ถังจึงต้องอยู่ที่ระดับสูงสุดของระบบท่อเพื่อไม่ให้น้ำล้นจากระบบท่อตามรูปที่ 1. ระดับน้ำในถังจะควบคุมด้วยวาวส์ลูกลอย ระยะจากระดับน้ำลูกลอยถึงท่อน้ำล้นจะต้องมีปริมาตรมากกว่าปริมาตรน้ำขยายตัวสูงสุด(dV)ไม่น้อยกว่า 20% ซึ่งสามารถคำนวณได้จากสมการที่ 1.

ปริมาตรน้ำขยายตัวจากการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิ dV= k.Vo.dT………..........……………..……………………(1.)

เมื่อ Vo คือปริมาตรของของน้ำทั้งหมดในระบบท่อ k ของน้ำ = 4.5x10^-4 (1/ซ.) และ dT คืออุณหภูมิน้ำเปลี่ยนแปลง(ซ.)

รูปที่ 1.การติดตั้งถังขยายตัวแบบเปิด และอุปกรณ์ประกอบเพื่อการทำงานของระบบท่อ

ถังขยายตัวต้องมีหลอดแสดงระดับน้ำเพื่อตรวจสอบการทำงานของถังขยายตัว ท่อน้ำเติมมี 2 ท่อ ประกอบด้วยท่อเติมอัตโนมัติด้วยวาวล์ลูกลอบและท่อเติมเร็วสำหรับเติมน้ำให้ระบบได้เร็วขึ้นเมื่อเริ่มเติมน้ำ จากรูปที่ 2.น้ำที่ความดันสูงและอุณหภูมิต่ำจะละลายอากาศ(%โดยปริมาตร)ได้มาก ดังนั้นเมื่อเติมน้ำเข้าระบบ อากาศที่ค้างในระบบท่อและคอยล์น้ำเย็นจะถูกละลายและหมุนเวียนในระบบท่อ ซึ่งที่ท่อน้ำกลับบนสุดชองระบบท่อมีความดันน้ำต่ำสุด อากาศที่เกินสมดุลจะแยกตัวออกจากน้ำ บางส่วนอาจค้างอยู่ในคอยล์ทำให้เกิดปัญหาเรื่องความเย็น และอากาศบางส่วนถูกน้ำไล่มาที่ท่อขยายตามรูปที่ 1.ซ้าย อากาศจะมีความเร็วน้อยลงและลอยขึ้นไปที่ถังขยายตัว ระบายสู่อากาศ สุดท้ายอากาศละลายน้ำจะลดลงจนมีความสมดุลที่ความดันและอุณหภูมิที่ท่อขยาย

ข้อดีของระบบท่อที่ใช้ถังขยายตัวแบบเปิด ความดันสถิตย์ของน้ำที่จุดใดๆในระบบท่อเท่ากับความสูงของระดับน้ำในถังขยายตัวถึงระดับน้ำที่จุดนั้น ความดันสูงสุดในระบบท่ออยู่ทางด้านส่งของเครื่องสูบน้ำ และมีความดันต่ำกว่าระบบที่ใช้ถังขยายตัวแบบปิด การเติมน้ำทำได้ง่าย หลอดระดับน้ำ(Sight glass)ใช้เพื่อตรวจสอบระดับน้ำซึ่งจะทำให้รู้ความผิดปกติของวาวล์ลูกลอย และระยะจากระดับน้ำถึงระดับท่อน้ำล้นเป็นปริมาตรที่รองรับน้ำขยายตัว การทำงานจึงไม่ซับซ้อนไม่เกิดความผิดพลาด

ข้อเสียคืออาจมีปัญหาในเรื่องสถานที่ที่จะใช้ติดตั้ง และช่วบลดปริมาณอากาศที่ละลายในน้ำใด้ แต่ก็ยังคงมีอากาศละลายอยู่ในน้ำเพราะมีอากาศสัมผัสผิวน้ำ ทำให้เกิดผุกร่อนและเกิดตะกรันระบบท่อและอุปกรณ์

รูปที่ 2.ความสามารถในการละลายอากาศ(%โดยปริมาตร)ของน้ำที่อุณหภูมิและความดันต่างๆ

ถังขยายตัวแบบปิด เป็นถังความดันแบ่งออกเป็นถังอากาศ และถังเมมเบรนซึ่งแยกน้ำกับอากาศไม่ให้สัมผัสกัน ได้แก่ถังไดอะแฟรม(Diaphragm tank) และถังขยายตัวแบบถุง(Bladder tank) นิยมติดตั้งในห้องเครื่องเพื่อให้สะดวกในการตรวจสอบและการบำรุงรักษาตามรูปที่ 3.

รูปที่ 3.ตำแหน่งการติดตั้งถังขยายตัวแบบปิดและวาวล์ไล่อากาศในระบบท่อน้ำเย็น

เมื่อเติมน้ำเข้าระบบท่อ อากาศที่ค้างในระบบท่อ คอยล์น้ำเย็น เครื่องทำน้ำเย็นและอุปกรณ์บางส่วนจะถูกละลายและหมุนเวียนในระบบ ที่ท่อกลับบนสุดชองระบบท่อมีความดันน้ำต่ำสุด อากาศสามารถจะแยกตัวออกจากน้ำที่ระดับนี้ จึงควรติดตั้งท่อขยายที่ท่อกลับสูงสุดเช่นเดียวกับรูปที่ 1.โดยติดตั้งวาวล์ระบายอากาศแทนถังขยายตัวเพื่อไล่อากาศ เนื่องจากระบบถังขยายตัวแบบปิดมีความดันน้ำสูงกว่าระบบถังขยายตัวแบบเปิด จึงมีอากาศละลายน้ำสูงกว่า เพื่อลดอากาศในน้ำควรมีอุปกรณ์ไล่อากาศแบบลดความดันตามรูปที่ 3.

ถังขยายตัวขังก๊าซไว้เพื่อรับปริมาตรของเหลวที่เพิ่มขึ้นจากอุณหภูมิเปลี่ยนแปลง อากาศในถังขยายตัวมีความดันเท่ากับความดันน้ำตลอดเวลา เมื่อน้ำขยายตัวจะอัดอากาศให้ปริมาตรลดลงเท่ากับปริมาตรที่ของเหลวขยายตัว

ความดันเปลี่ยนแปลงของอากาศ dP(บาร์) = ความดันเปลี่ยนแปลงของน้ำ = β/k ΔT...........................(2.)

β/k ของน้ำ = 12.4 บาร์/ซ. และ dT คืออุณหภูมิแตกต่างของน้ำ (ซ.)

ระบบคำนวนโดยใช้กฏของก๊าซ PV/T มีค่าคงที่

n คืออัตราส่วนปริมาตรอากาศในถังต่อปริมาตรน้ำที่เพิ่มขึ้น(dV) = P1.To / (P1.To –Po.T1)…………….(3.)

เมื่อ Po คือความดันน้ำที่ถังคำนวนจากระบบท่อเมื่ออุณหภูมิน้ำ To และ P1 คือตวามดันน้ำเมื่ออุณหภูมิ T1 = Po +dPปริมาตรอากาศในถังขยายตัวเมื่อมีความดัน Po = 1.2.n.dV...………………………………………(4.)

ความดันสูงสุด P1 จะต้องไม่สูงกว่าความดันใช้งานของท่อและอุปกรณ์ในระบบท่อเพื่อป้องกันความเสียหาย

ถังอากาศ อากาศสัมผัสผิวน้ำโดยตรง น้ำจึงละลายอากาศออกในถังได้จนกว่าจะถึงค่าสมดุล เมื่อปริมาตรอากาศลดลงระดับน้ำในถังจะสูงขึ้นทำให้มีน้ำเติมเข้าระบบท่ออัตโนมัติ การใช้อุปกรณ์ไล่อากาศจึงไม่ได้ผลเต็มที่

รูปที่ 4.ถังขยายตัวแบบอากาศและอุปกรณ์

ขั้นตอนการเติมอากาศเริ่มจากปิดวาวล์น้ำเข้าถังอากาศเปิดวาวล์ระบายอากาศและวาวล์ระบายน้ำจนระดับน้ำลดมาที่ระดับที่ต้องการโดยดูที่หลอดระดับน้ำ ปิดวาวล์ระบายน้ำและอัดอากาศเข้าจนได้ความดันที่ต้องการแล้วจึงเปิดวาวล์น้ำเชื่อมถังกับระบบท่อ ถังอากาศมีทั้งถังนอนและถังตั้ง รูปที่ 4.ซ้ายถ้าไม่มีหลอดระดับน้ำ การเติมอากาศทำได้ยากขึ้นเนื่องจากไม่รู้ระดับน้ำในถัง ควรมีช่องกระจกเพื่อดูระดับน้ำเป็นอย่างน้อย

ถังไดอะแฟรม จะมีแผ่นไดอะแฟรมที่ยึดขอบพร้อมซีลที่แนวกลางถังตามรูปที่ 5.ส่วนของถังที่เป็นน้ำจะต้องเคลือบด้วยวัสดุที่ทนทานต่อการขัดสีจากไดอะแฟรมเพื่อป้องกันการผุกร่อนของถัง ด้านก๊าซมีวาวล์อากาศสำหรับการอ้ดก๊าซพร้อมฝาและซีลกันรั่ว ค้านน้ำมีข้อต่อสำหรับต่อท่อน้ำ แผ่นไดอะแฟรมทำด้วย Butyl Rubberจะมีรูปร่างที่จะสามารถอัดก๊าซได้เต็มปริมาตรถัง โรงงานจะอัดก๊าซในถังเพื่อให้สูกค้าตรวจสอบความดันให้แน่ใจว่าถังและแผ่นไดอะแฟรมไม่รั่วซึม

เมื่อใช้งานน้ำจะอัดแผ่นไดอะแฟรมเข้าไปด้านก๊าซตามรูป ปริมาตรน้ำในถังเมื่อแผ่นไดอะแฟรมอยู่ที่จุดสูงสุดน้ำในถังจะต้องไม่เกินปริมาตรน้ำที่ยอมรับ(Acceptance volume)ของถังไดอะแฟรมซึ่งจะระบุโดยผู้ผลิต เพื่อป้องกันไม่ให้ไดอะแฟรม ยืดตัวเกินขีดจำกัดที่จะทำให้ไดอะแฟรมเกิดความเสียหายหลุดจากซีล การเลือกขนาดถังจึงต้องให้ปริมาตรน้ำที่ยอมรับของถัง(Acceptance volume) มากกว่าปริมาตรอากาศในถังขยายตัวที่ความดันใช้งานตามสมการที่ 4.

รูปที่ 5.ถังขยายตัวแบบไดอะแฟรมแสดงการทำงาน

การติดตั้งมีอุปกรณ์ตามรูปที่ 6.ประกอบด้วยวาวล์ถังปิดจากระบบและวาวล์ระบายน้ำ การวางถังตามรูปจะมีอากาศค้างอยู่ด้านน้ำเพียงเล็กน้อยที่ช่วงข้อต่อแนวตั้งของถังเท่านั้นเพราะถังถูกอัดความดันด้วยอากาศจนไม่มีปริมาตรว่างในถังด้านน้ำ ซึ่งอากาศที่ค้างนี้จะถูกละลายไป ก่อนเปิดถังเชื่อมเข้าระบบท่อต้องปิดวาวล์ถังแล้วอัดอากาศเข้าถังทางด้านวาวล์อากาศให้มีความดันเท่ากับความดัน Po ซึ่งคำนวนไว้โดยใช้เกจย์ความดันที่ท่อชั่วคราวสำหรับอัดอากาศ จากนั้นจึงเปิดวาวล์ถัง น้ำอาจเข้าถังและทำให้ความดันเพิ่มขึ้นได้ จดความดันนั้นไว้เป็นข้อมูล ถอดอุปกรณ์อัดอากาศ ปิดฝา/ซีลวาวล์อากาศและตรวจสอบด้วยน้ำสบู่เพื่อให้แน่ใจว่าอากาศไม่รั่วซึม

รูปที่ 6.แสดงการติดตั้งและอุปกรณ์ของถังไดอะแฟรม

ควรตรวจสอบการรั่วซึมเป็นระยะเพราะถ้ามีการรั่วซึม น้ำจะดันเข้าถังจนเกินปริมาครน้ำที่ยอมรับของถังทำให้ซีลเสียหายถังไม่สามารถทำงานได้เกิดความดันสูงมากทำให้ระบบท่อน้ำเย็นและอุปกรณ์เสียหายจากความดันน้ำ ซึ่งจำเป็นจะต้องเปลี่ยนทั้งถังเพราะไม่สามารถเปลี่ยนและซีลเฉพาะไดอะแฟรมได้

ถ้าพบการรั่วซึมสามารถตรวจสอบได้ด้วยการปิดวาวล์ถัง เปิดวาวล์ระบายน้ำ และอัดอากาศเข้าถัง ถ้าสามารถทำความดันปกติที่บันทึกไว้และรักษาความดันได้เป็นเวลา 10นาที แสดงว่าซีลและไดอะแฟรมไม่เสียหาย ปิดวาวล์ระบายน้ำและเปิดวาวล์ถัง ถอดอุปกรณ์อัดอากาศ ปิดฝา/ซีลวาวล์อากาศและตรวจสอบด้วยน้ำสบู่เพื่อให้แน่ใจว่าอากาศไม่รั่วซึม

ถ้าซีลไดอะแฟรมเสียหายอากาศจะรั่วมาที่ท่อวาวล์ระบายน้ำ สามารถใช้ถังชั่วคราวจนกว่าจะได้ถังใหม่มาเปลี่ยนได้โดยปิดวาวล์ระบายน้ำแล้วจึงอัดอากาศจนได้ความดันที่ต้องการแล้วจึงเปิดวาวล์ถังอากาศในส่วนท่อจะไหลเข้าในระบบท่อแต่อากาศในถังจะถูกขังไว้ทำหน้าที่เป็นถังอากาศระยะเวลาหนึ่งอากาศจะละลายน้ำทำให้ระดับน้ำในถังสูงขึ้น

ถังขยายตัวแบบถุง(Bladder tank) เป็นถังความดันที่ใช้ถุงทำด้วย Butyl Rubber ยึดขอบถุงและซีลเข้ากับหน้าแปลนด้านบนของถังตามรูปที่ 7. น้ำจะอยู่ในถุงจึงไม่สัมผัสอากาศและผิวในของถังจึงไม่เกิดการผุกร่อนที่ถัง โรงงานจะอัดก๊าซในถังเพื่อให้สูกค้าตรวจสอบความดันให้แน่ใจว่าถังและถุงไม่รั่วซึม ถุงจะถูกก๊าซอัดจนแบนตามรูปด้านซ้าย เมื่อใช้งานน้ำในถุงจะดันให้อากาศมีปริมาครลดลงเท่าปริมาตรของน้ำในถุงที่เพิ่มขึ้นขณะที่ความดันของอากาศและความดันน้ำเท่ากันตามรูปด้านขวา เนื่องจากถุงยึดที่ด้านหนึ่งของถัง ปริมาตรน้ำที่ยอมรับ(Acceptance volume) ของถังจึงเท่ากับปริมาตรของถังทำให้ถังแบบถุงมีขนาดเล็กกว่าถังแบบอื่นๆ

รูปที่ 7.การทำงานของถังขยายตัวแบบถัง

ลักษณะของถังตามรูปจะไม่มีอากาศค้างในถังเนื่องจากได้อัดก๊าซมาจากโรงงาน และเมื่อติดตั้งตามรูปที่ 8. จะมีอากาศค้างอยู่ในท่อรูปตัวยูคว่ำจึงต้องมีวาวล์ไล่ลมอัตโนมัติ มีวาวล์ระบายน้ำ และวาวล์ปิดระบบถัง ถ้าไม่มีลักษณะยูคว่ำก็ไม่ต้องมีวาวล์ไล่ลม ก่อนเชื่อมถังเข้าระบบท่อต้องปิดวาวล์ถังแล้วอัดอากาศเข้าถังทางด้านวาวล์อากาศให้มีความดันเท่ากับความดัน Po ซึ่งคำนวนไว้โดยใช้เกจย์ความดันที่ท่อชั่วคราวสำหรับอัดอากาศ จากนั้นจึงเปิดวาวล์ถัง น้ำอาจเข้าถังและทำให้ความดันเพิ่มขึ้นได้ จดความดันนั้นไว้เป็นข้อมูล ถอดอุปกรณ์อัดอากาศ ปิดฝา/ซีลวาวล์อากาศและตรวจสอบด้วยน้ำสบู่เพื่อให้แน่ใจว่าอากาศไม่รั่วซึม

รูปที่ 8.การติดตั้งถังขยายตัวแบบถุง

ควรตรวจสอบการรั่วซึมเป็นระยะเพราะถ้ามีการรั่วซึม น้ำจะดันเข้าถังจนเต็มปริมาครของถังทำให้เมื่ออุณหภูมิน้ำสูงขึ้นจะเกิดความดันสูงมากทำให้ระบบท่อน้ำเย็นและอุปกรณ์เสียหายจากความดันน้ำ ถ้าพบอากาศรั่วซึมสามารถตรวจสอบได้ด้วยการปิดวาวล์เชื่อมระบบ เปิดวาวล์ระบายน้ำออก และอัดอากาศเข้าถัง ถ้าสามารถทำความดันปกติที่บันทึกไว้และรักษาความดันได้เป็นเวลา 10นาที แสดงว่าซีลและถุงไม่เสียหาย ปิดวาวล์ระบายน้ำและเปิดวาวล์เชื่อมระบบ ถอดอุปกรณ์อัดอากาศ ปิดฝา/ซีลวาวล์อากาศและตรวจสอบด้วยน้ำสบู่เพื่อให้แน่ใจว่าอากาศไม่รั่วซึม ถ้าซีลถุงเสียหายหรือถุงรั่วก็สามารถเปลี่ยนได้ ไม่เหมือนถังไดอะแฟรม

ข้อเสียคืออากาศจะไม่ค้างในถัง ถ้าถุงรั่วจะไม่สามารถใช้ถังเป็นถังอากาศได้แต่เมื่อเกิดปัญหาสามารถปิดวาวล์ระบายอากาศและวาวง์เชื่อมต่อจากนั้นเปิดวาวล์ระบายน้ำเพื่อให้อากาศเต็มท่อ จากนั้นปิดวาวล์ระบายน้ำและเปิดวาวล์เชื่อมระบบเพื่อใช้อากาศที่ถูกขังอยู่ในท่อเป็นถังอากาศชั่วคราว

ส่งท้าย ระบบปรับอากาศด้วยน้ำเย็นสำหรับอาคารสูงจะมีห้องเครื่องอยู่ที่ชั้นล่างๆหรือขั้นใต้ดินซึ่งมีความดันน้ำสูงถึงสูงที่สุดของอาคาร ประกอบกับน้ำเย็นมีอุณหภูมิต่ำจึงมีอากาศละลายอยู่ได้มาก ไม่มีอากาศแยกตัวจากน้ำที่ระดับนี้ จะมีแต่อากาศที่ค้างจากการไล่อากาศในอุปกรณ์ไม่หมดและในท่อน้ำรูปตัวยูคว่ำขนาดใหญ่เท่านั้น อากาศที่ค้างในถังขยายตัวแบบปิดไม่มีผลต่อการทำงานของถัง แต่มีผลต่อการทำงานของอุปกรณ์เช่นกีดขวางการไหลของน้ำ เกิดปัญหาเรื่องอัตราการไหลของน้ำในอุปกรณ์ความเย็นต่างๆ ถ้ามีอากาศค้างเล็กน้อยก็จะละลายน้ำหมดไป แต่เพิ่มปัญหาการเกิดตะกรันและการผุกร่อน

เมื่อวางเครื่องทำน้ำเย็นและอุปกรณ์ที่ชั้นหลังคาซึ่งมีความดันน้ำเย็นต่ำสุดในระบบท่อ อากาศที่ค้างในระบบมีโอกาสที่จะแยกตัวจากน้ำที่ชั้นนี้ทำให้มีอากาศค้างในระบบท่อและอุปกรณ์ได้มาก เกิดปัญหาเรื่องอัตราการไหลของน้ำในอุปกรณ์ความเย็นต่างๆ แต่ไม่มีผลต่อการทำงานของถังขยายตัว