2.2.4. Rozszerzalność cieplna wody

Rozszerzalność cieplna jest właściwością fizykalną cieczy ściśle powiązaną z energią wewnętrzną ośrodka – wyraża zdolność płynu do zmiany objętości pod wpływem zmiany temperatury, przy stałym ciśnieniu. W odróżnieniu od ściśliwości, która opisuje reakcję cieczy na zmiany ciśnienia, rozszerzalność cieplna charakteryzuje jej odpowiedź termiczną. Dla inżyniera instalacji sanitarnych i grzewczych jest to jedna z najważniejszych praktycznie właściwości wody – ignorowanie jej skutków prowadzi bezpośrednio do błędów projektowych o poważnych konsekwencjach eksploatacyjnych.

Miarą rozszerzalności cieplnej jest współczynnik rozszerzalności cieplnej βT [1/°C], definiowany jako względny przyrost objętości cieczy przypadający na jednostkowy wzrost temperatury, przy stałym ciśnieniu:βT=dVV1dT[1°C]gdzie:

  • βT – współczynnik rozszerzalności cieplnej [1/°C],
  • V – objętość początkowa cieczy [m³],
  • dV – przyrost objętości wywołany zmianą temperatury [m³],
  • dT – przyrost temperatury [°C].

Zapis ten ma czytelną interpretację fizyczną: β_T mówi nam, o jaką ułamkową część swojej objętości początkowej rozszerzy się ciecz przy podgrzaniu o 1°C. Im wyższy współczynnik, tym bardziej dynamicznie ciecz reaguje na zmiany temperatury i tym większą objętość kompensacyjną muszą posiadać elementy instalacji pochłaniające tę nadwyżkę.

Dla wody w zakresie temperatur od 0°C do 100°C wartość współczynnika rozszerzalności cieplnej można z dobrym przybliżeniem przyjmować jako:βT=0,00044  1°CWartość ta nie jest jednak stała w całym zakresie temperatur – jest to wartość uśredniona, użyteczna w obliczeniach inżynierskich. W rzeczywistości β_T rośnie wraz z temperaturą: w pobliżu 0°C przyjmuje wartości bliskie zeru (a nawet ujemne poniżej 4°C, co jest konsekwencją anomalii termicznej wody), natomiast w pobliżu 100°C osiąga wartości rzędu 0,00075 1/°C – niemal dwukrotnie wyższe niż wartość uśredniona. Dlatego przy obliczeniach instalacji pracujących w wysokich temperaturach (np. instalacje c.o. wysokotemperaturowe z temperaturą zasilania 90°C) stosowanie wartości uśrednionej może prowadzić do niedoszacowania przyrostu objętości i – w konsekwencji – do zbyt małego naczynia wzbiorczego.

Praktyczne znaczenie rozszerzalności cieplnej wody jest trudne do przecenienia. Rozpatrzmy instalację grzewczą zamkniętą, napełnioną wodą o objętości V = 500 litrów w temperaturze napełnienia T₁ = 10°C, podgrzaną następnie do temperatury roboczej T₂ = 80°C. Przyrost temperatury wynosi ΔT = 70°C. Przyrost objętości wody obliczamy z definicji współczynnika rozszerzalności cieplnej:ΔV=βTVΔT=0,000445007015,4  litroˊwPonad 15 litrów wody musi zostać pochłonięte przez naczynie wzbiorcze – w przeciwnym razie ciśnienie w zamkniętym układzie wzrośnie powyżej wartości dopuszczalnej i otworzy się zawór bezpieczeństwa. Jest to jeden z elementarnych obowiązków projektanta instalacji grzewczej: prawidłowe zwymiarowanie naczynia wzbiorczego przeponowego z uwzględnieniem rozszerzalności cieplnej czynnika.

Analogiczne obliczenia dotyczą instalacji solarnych, gdzie temperatura czynnika roboczego może sięgać nawet 150–180°C w warunkach stagnacji (zatrzymania pompy przy pełnym nasłonecznieniu), a także instalacji z glikolem, dla którego współczynnik rozszerzalności cieplnej jest wyższy niż dla czystej wody i zależy dodatkowo od stężenia roztworu. W tych przypadkach stosowanie tabelarycznych wartości βT dla konkretnego czynnika i zakresu temperatur jest bezwzględnie konieczne.

Ta strona wykorzystuje pliki cookie aby personalizować treść, reklamy i analizować ruch w witrynie. Pozostając na tej stronie, zgadzasz się na korzystanie z plików cookie. Dowiedz się więcej more information

The cookie settings on this website are set to "allow cookies" to give you the best browsing experience possible. If you continue to use this website without changing your cookie settings or you click "Accept" below then you are consenting to this.

Close