С позиции инженера механика, знакомого с теплотехникой и гидравликой, с 13 летним опытом работы в структуре крупнейшего российского производителя и опытом эксплуатации водонагревателей в течении 20 лет, в данной статье я рассматриваю наиболее важные факторы, учёт которых повысит безопасность и снизит частоту возникновения вопроса – кто виноват.
В конце статьи я привожу фрагменты видеофильма, демонстрирующего причины и динамику взрывов, снятого западным телеканалом.
Заслуживают внимания и тексты пострадавших в подобных ситуациях, размещенные на форумах, которые мне удалось найти.
После прочтения названия статьи у читателя могут возникнуть вопросы:
- действительно ли водонагреватели взрываются,
- влияют ли на это география, наименование бренда или производителя и национальность пользователя,
- почему это произошло,
- что стоит сделать, чтобы от водонагревателя получать одни блага.
В наше время на многие вопросы даёт ответы интернет.
В день написания текста, поисковая система Яндекс по запросу «Взрыв водонагревателя» сгенерировала страницу, содержащую 2 миллиона результатов (Рис 1).
В том числе 12 видео, семь из которых показывают последствия, вызванные взрывами. На найденных фотографиях много разрушенных стен, четыре водонагревателя, один из которых, находится рядом с местом происшествия. Его фото размещено мной в красной рамке над изображением картинок показанных Яндексом.
Среди выбранных веб-страниц несколько десятков излагают формальные причины взрывов и меры по их предупреждению.
На одной из веб-страниц указаны 3 причины взрыва:
- Неправильная установка;
- Нарушение правил пользования;
- Выход из строя основных деталей.
Все причины указанные автором веб-страницы, действительно приводят к беде, но они не называют условий, которые создают предпосылки.
Обсуждается проблема и на форумах:
Так, на форуме «Электротранспорт » Клуб » Свободный электрон » Может ли взорваться бойлер?, https://electrotransport.ru/ussr/index.php?topic=55412.0, участник форума из Кременчуга, под ником «Старожил», 12 Июля 2018 г. невольно рассказывает о проявлении, как мне кажется, первопричины взрыва:
«...Открываю кран, а он начал плеваться кипятком и паром. Затем в ванной комнате раздался сильный хлопок, что-то очень сильно зашипело. Заглянул в ванную, с бойлера сорвало металлопластиковую трубу, из фитинга с рёвом вырывалась струя пара. Быстро обесточил бойлер, но это не помогло. Через пару минут раздался второй хлопок, сорвало трубу подачи холодной воды, теперь бойлер начал плеваться кипятком вперемежку с паром. Я перекрыл подачу воды в квартиру. Дальше в ванной стало невозможно находиться, температура очень сильно увеличилась. Оставалось только ждать. А ждать пришлось долго, минут 15-20, пока бойлер не опустел полностью. Потом всё стихло. Вычерпал воду и занялся ремонтом бойлера. Но меня теперь беспокоит вопрос, мог ли бойлер взорваться?»
Вероятно, близок к истине и автор статьи «Взрывом бойлера в квартире в Приамурье снесло межкомнатные стены», 22 07 2013 г, который указывает - « Предварительная причина взрыва – неисправность водонагревателя и отсутствие … воды в ёмкости в момент нагрева». Три точки перед словом воды – редакция автора, на которой я остановлюсь позже.
Для того, чтобы приблизиться к пониманию причин происшествий, вспомним физические свойства воды:
Всем известно, что вода кипит при 100 °C . В таблице (Рис 2) показана зависимость температуры кипения от давления. При давлении равном 0,6 кгс/см² температура кипения составляет 85,45 °C, при 6 кгс/см² -158 °C, а при 25 кгс/см² - 222,9 °C.
Эти показатели важны для понимания работы защитных устройств водонагревателя.
Интересен видеофильм опыта по физике, демонстрирующего зависимость температуры кипение воды от давления (Рис 3).
Демонстрация опыта по физике:
Ссылка на видео: ttps://vk.com/videos572551161z=video572551161_456239018%2Fpl_572551161_-2#
В опыте вода нагретая до 88 °C при понижении давления закипела. Важно подчеркнуть, что кипение происходит без дополнительного нагрева. То есть до начала понижения давления в колбе, вода уже обладала тем запасом энергии, которая при давлении 0,6 кгс/см², инициировала бурное закипание.
При проектировании водонагревателей и приборов безопасности производители учитывают физические свойства и установленные законодательством параметры воды.
Важными элементами безопасности водонагревателей являются термостаты.
Термостаты применяются двух видов: регулирующие и защитные. Регулирующие имеют устройства задания температуры, чувствительные элементы и устройства отключения нагрева. Расположение чувствительных элементов различных термостатов показано на рисунке (Рис 4).
В ходе нагрева при достижении заданной температуры в зоне расположения чувствительных элементов, регулирующие термостаты отключают нагревательные элементы. (Хотелось бы акцентировать внимание на то, что термостаты фиксируют температуру не во всём объёме, а в зоне расположения чувствительных элементов). По мере охлаждения воды или при её расходовании термостаты включают нагрев. Защитные термостаты предназначены для отключения нагрева воды в случаях, когда регулирующий термостат не отключил.
Применяемые термостаты в водонагревателях – достаточно надёжные устройства. Но при этом следует учитывать то, что термостаты как и любые другие электрические устройства не предназначены для работы во влажной среде. Попадание воды на контакты устройств отключения выводит их из строя. Важно понимать и то, что при нагреве из воды выделяются соли жёсткости и другие твёрдые частицы, которые выпадают в осадок. Со временем эти вещества уплотняются и создают налёты вокруг нагревательных элементов, термостатов и на дне бака. Наличие налётов между водой и чувствительными элементами термостатов снижает точность и надёжность их работы. Объём скопившихся частиц в баке зависит от химического состава нагреваемой воды, интенсивности эксплуатации и периодичности обслуживания.
Результат выпадения осадка образовавшегося при нагреве воды можно найти в поисковике по запросу «чистка нагревательного элемента водонагревателя».
На момент написания данного текста поисковик выбрал 8 тысяч изображений. Заслуживают внимания, по моему мнению, два фото, размещённые в красных рамках крупным планом над изображением страницы поисковика (Рис 5).*
На этих изображениях, видно, что из-за наличия отложений нагревательные элементы и термостаты не имеют прямого контакта с водой. Такое состояние нагревательных элементов встречается достаточно часто.
При эксплуатации водонагревателей возникает ещё одно неприятное явление – разрушение трубки нагревателя (Рис 6)*.
Некоторым пользователям известно «пощипывание», возникающее при прикосновении к крану. Это следствие того, что в результате разрушения трубки нагревателя спираль, находящаяся под напряжением, соприкасается с водой.
Вода проводит электрический ток и вызывает «пощипывание». Разрушение трубок нагревателей довольно сложный процесс, описание которого не относится к теме данной статьи. Но при этом, можно предположить, что фактором, способствующим разрушению, является постоянное нахождение спиралей нагревателей под напряжением. Причины в конструкции применяемых в водонагревателях выключателей. Выключатели имеют только один контакт, который может отключать либо фазу, либо ноль. Поэтому при одном из положений вилки в розетке спираль нагревателя постоянно находится под напряжением. В результате разрушение трубки нагревателя и сопутствующие процессы продолжаются и при выключенном нагреве.
Мало кто в моменты «пощипывания» вспоминает о том, что при соприкосновении металла находящегося под напряжением с водой, происходит её разложение на водород и кислород. И при наличии фазы на спирали этот процесс не останавливается. Описания того, как влияет наличие свободного водорода при нагреве воды на безопасность, я не встречал. Но забывать об этом, думаю, не стоит.
Важной характеристикой воды является и сжимаемость — зависимость прироста объёма воды от температуры (Рис 7).
На графике показано, что при увеличении температуры с 10 до 100 °C объем воды увеличивается на 5,16 %.
Иными словами, при нагреве 100 литров воды на 100 градусов, объём её увеличивается на 5 литров. Вероятно, этот показатель явился основным при выборе размера сливного отверстия обратного клапана, на котором остановимся позже.
Обратный клапан, так же как и термостат является устройством обеспечивающим безопасность водонагревателя (Рис 8).
У клапана две основные характеристики – минимальное давление, при котором вода пропускается в бак, эту функцию выполняет собственно обратный клапан (3). Величина этого давления составляет 0,6 кгс/см². Второй характеристикой клапана является, давление при котором происходит сбрасывание избыточного давления. Эту функцию выполняет клапан (2). Чтобы не вводить читателя в заблуждение я намеренно не называю его предохранительным.
Собственно обратный клапан (3), предназначен для обеспечения прохождения воды в одном направлении - в бак. При давлении воды в системе холодного водоснабжения более 0,6 кгс/см² вода преодолевая усилие пружины (1), поступает в бак. При уменьшении давления усилием пружины клапан прижимается к седлу, расположенному ниже и тем самым прекращает подачу воды в бак и слив её в систему. При исправном обратном клапане, после первого заполнения бак постоянно заполнен водой. Без воды нагревательный элемент сгорает в течение нескольких секунд. Таким образом, обратный клапан защищает нагреватель. Обратный клапан повышает безопасность и тем, что при кратковременных перебоях системы холодного водоснабжения закрываясь, сохраняет остаточное давление в баке. Наличие давления в баке предотвращает быстрое вскипание воды.
Но наличие этого клапана в условиях, когда давление воды в системе менее 0,6 кгс/см² исключает возможность использования водонагревателя. Желая получить горячую воду, недобросовестные пользователи эксплуатируют водонагреватели без обратного клапана. Это нередко приводит к разрушению внутреннего корпуса и даже взрыву водонагревателя.
Ложное представление пользователей о том, что обратный клапан должен защитить водонагреватель в любых условиях, не обосновано. Ошибочно называть штатный клапан водонагревателя предохранительным. Клапан (2) настроен на 6 кгс/см² и предназначен для сбрасывания плавно возникающего в процессе нагрева воды избыточного давления. С задачей, которая возникает при нагреве - слив 5 литров образовавшихся при нагреве на 100 °C обратный клапан справляется. Что соответствует таблице Рис 3. Но штатный клапан не способен защитить водонагреватель от повышения давления, возникающего при закипании воды в баке и гидравлических ударах в системе водоснабжения. Площадь сливного отверстия клапана слишком мала и не может обеспечить быстрый сброс давления в указанных случаях. Защиту всех бытовых приборов и водонагревателей в том числе, при гидравлических ударах должны обеспечивать редуктора и специальные предохранительные клапана, которые по необходимости устанавливаются в системах водоснабжения квартиры. Вскипание воды в водонагревателе в нормальных условиях в принципе невозможно. Для условий, когда не исключаются нештатные ситуации, имеет смысл установка в схему подключения водонагревателя дополнительного предохранительного клапана имеющего отверстие достаточных размеров для слива избытков в канализацию.
Внешние отличия клапана водонагревателя и предохранительного клапана показаны на рисунке (Рис 9)*.
На практике холодная вода из крана может течь, но давление её может быть ниже 0,6 кгс/см². Например, при давлении воды 0,3 кгс/см² вода поднимается на высоту 3 метра от точки замера. Пользователь ошибочно думает, что холодная вода в водонагреватель поступает, и его раздражает то, что из крана подачи горячая вода не течёт. Течь воды из крана холодной воды не является свидетельством наличия необходимого давления. Наличие давления воды необходимого для эксплуатации водонагревателя можно определить с помощью манометра. Могут быть и случаи, когда в часы потребления воды ближайшими предприятиями, давления воды в квартирах нет, а в ночное время оно значительно превышает нормы, указанные в СНиП.
Не менее опасно для водонагревателей и высокое давление в системах водоснабжения. Такое возможно в населённых пунктах имеющих значительные разницы высот положения близлежащих домов и при наличии по соседству со старой пятиэтажкой высоток имеющих несколько десятков этажей. Конечно, существуют вводные узлы домов, которые должны обеспечивать соответствие нормам параметров воды поступающей к потребителям. Но к нашему сожалению, иногда присутствуют «случайные» поломки техники и недобросовестность сотрудников.
В таких условиях взрывное разрушение водонагревателя маловероятно, но вздутие и разрыв внутренних баков с последующим затоплением квартиры возможно.
При постоянном использовании обратного клапана для слива воды, отложения, скопившиеся на дне бака, постепенно засоряют пространство над седлом обратного клапана и перед входом в клапан сброса давления (Рис 10).
На начальном этапе это затрудняет подачу холодной воды в водонагреватель, а в последующем, повышает вероятность разрушения водонагревателя.
Можно ли предъявить претензии по поводу обратного клапана производителю или продавцу?
Думаю что нет, потому что:
- производители проектируют и производят водонагреватели для величины давления воды в системе водоснабжения 0,3-6 кгс/см², которая указана в СНиП 2.04.02-84* Водоснабжение. Наружные сети и сооружения,
- производители чётко формулируют правила эксплуатации водонагревателей и требования мер безопасности, предотвращающие возникновение опасных ситуаций,
- производители не имеют возможности и не должны проверять соответствие параметров воды и условий, в которых эксплуатируются водонагреватели.
Вернёмся к текстам сообщений о взрывах на форумах:
Кременчуг. «... Открываю кран, а он начал плеваться кипятком и паром. Затем в ванной комнате раздался сильный хлопок, что-то очень сильно зашипело... - с бойлера сорвало металлопластиковую трубу, из фитинга с рёвом вырывалась струя пара… Через пару минут … второй хлопок, сорвало трубу…холодной воды… А ждать пришлось …, минут 15-20. Но меня теперь беспокоит вопрос, мог ли бойлер взорваться?»
Не задавая вопрос гадалке, вспоминая урок по физике, предполагаем, что в первом случае – в результате нагрева, вероятно, при низком давлении или его отсутствии, параметры воды достигли критического состояния. При открытии крана, давление в баке снизилось. Понижение давления вызвало кипение. В результате вскипания мгновенно повысилось давление в баке, сорвало трубу - раздался хлопок, давление продолжало расти – сорвало вторую трубу.
Приамурье. « … причина взрыва – неисправность водонагревателя и отсутствие давления воды в ёмкости в момент нагрева».
Сотрудник МЧС правильно назвал причину взрыва, допустив ошибку – пропустил слово давление перед словом воды. При отсутствии в водонагревателе воды нагревательный элемент сгорает в течение нескольких секунд и нагрев прекращается.
К чему может привести беспечность:
На сгенерированной поисковиком странице, пять видео, транслирующих фильм запечатлевший результаты нескольких экспериментов программы «Разрушители легенд», телеканала Discovery Channel.
Кадры фильма, созданного специалистами по спецэффектам программы, доказывают, что при нарушениях правил безопасности при нагреве воды водонагреватели разрушаются и даже взрываются (Рис 11).
В формате gif это выглядит так:
Кадры фильма, созданного специалистами по спецэффектам программы, доказывают, что при нарушениях правил безопасности при нагреве воды водонагреватели разрушаются и даже взрываются (Рис 11).
Фрагменты фильма снятого сотрудниками программы «Разрушители легенд» :
Ссылка на видео:
https://vk.com/videos572551161?z=video572551161_456239019%2Fpl_572551161_-2#
Для демонстрации взрыва авторы заполнили водонагреватель водой, отключили термостат с аварийным выключателем и клапан сброса по давлению и температуре. При нагреве через 7 минут температура поднялась до 120 °C, давление до 3 кгс/см², через 20 минут - 190 °C и 13 кгс/см². Через 50 минут была зафиксирована температуру 225 °C и давление 24 кгс/см². Далее водонагреватель разрушаясь, с большой скоростью взлетел на высоту в несколько десятков метров.
Какие вопросы могли возникнуть при просмотре видео "Разрушителей мифов" у читателей не знаю. Но у меня, демонстрация того, что 90 литров воды в 115 литровом водонагревателе, через 50 минут были нагреты до температуры более 200 °C, вызывает сомнения. Это может говорить об удаление части записи, на которой зафиксирован процесс нагрева, неточностях перевода, либо о дополнительных мерах принятых экспертами в целях ускорения процесса. Известна формула зависимости времени нагрева от объёма бака, мощности нагревателя и разности температур:
В соответствии с этой формулой для нагрева 90 литров воды до 200 °C за 50 минут, необходима мощность нагревателя более 20 киловатт.
В чём я не сомневаюсь при просмотре видео:
Данное видео говорит о том, что грубые нарушения инструкции, неминуемо приводят к разрушениям и даже взрывам с полётами вверх водонагревателей. Подобные происшествия одинаково возможны и действительно происходят в различных регионах мира, независимо от географических и этнических факторов, уровня развития цивилизации, производителей и заслуг пользователей. На видео в ходе опытов эксперты неоднократно говорят о произошедших взрывах водонагревателей в стране их проживания и ещё более серьёзных, чем отображенное яндексом. Главная причина взрывов – принудительное отключение защитных устройств. Любому технически грамотному человеку, очевидно, что одновременный выход из строя нескольких защитных устройств, работающих на основе использовании разных физических явлений, невозможен.
В заключение приведу то, что не следует делать самому и что нужно исправить при случайном проявлении:
- Надеяться на то, что, купив водонагреватель, даже самый дорогой и продвинутый, можно его включить и забыть. Не читать и не соблюдать требования производителя изложенные в инструкции,
- Эксплуатировать водонагреватель при первых подозрениях о неправильной работе защитных устройств.
- Снимать обратный клапан или устанавливать запорные устройства, в том числе редуктора давления между водонагревателем и обратным клапаном.
- Закрывать подачу воды в водонагреватель при нагреве воды.
- Допускать скопление твёрдых отложений в баке создающих тепловую изоляцию нагревателя и термостата и засоряющую отверстия входа и слива воды (особенно при возобновлении работы после перерыва предшествующей интенсивной эксплуатации).
- Использовать водонагреватель при давлении в системе холодного водоснабжения ниже нормы.
- Оставлять водонагреватель включённым, на ночь и покидая помещение,
- Постоянно использовать обратный клапан водонагревателя для слива воды.
В заключение хотелось бы вспомнить мудрые слова, сказанные более 900 лет тому назад:
Будь осмотрителен – судьба - злодейка рядом!
Меч времени остер, не будь же верхоглядом!
Когда судьба тебе положит в рот халву,
Остерегись - не ешь! В ней сахар смешан с ядом.
Омар Хайям.
Надеюсь, что знакомство с этим материалом даст Вам ответы на основные вопросы , позволит глубже понять требования мер безопасности и инструкций по эксплуатации водонагревателей накопительного типа. Понимание проблемы способствует более комфортному восприятию возникающих явлений.
С уважением - Автор.
