Expansion tanks are a necessary part of all closed hydronic systems to control both minimum and maximum pressure throughout the system. Expansion tanks are provided in closed hydronic systems to (1) accept changes in system water volume as water density changes with temperature to keep system pressures below equipment and piping system component pressure rating limits. Also, (2) maintain a positive gauge pressure in all parts of the system to prevent air from leaking into the system. (3) Maintain sufficient pressures in all parts of the system to prevent boiling, including cavitation at control valves and similar constrictions. (4) Maintain net positive suction head required (NPSHR) at the suction of pumps.
The latter two points generally apply only to high temperature (greater than approximately 210°F [99°C]) hot water systems. For most HVAC applications, only the first two points need to be considered.
Tank Styles
There are four basic styles of expansion tanks:
Vented or open steel tanks
Since they are vented, open tanks must be located at the highest point of the system. Water temperature cannot be above 212°F (100°C), and the open air/water contact results in a constant migration of air into the system, causing corrosion. Accordingly, this design is almost never used anymore.
Closed steel tanks
Also called plain steel tanks or compression tanks by some manufacturers.
This is the same tank style as the vented tank, but with the vent capped. This allows the tank to be located anywhere in the system and work with higher temperatures. But they still have the air/water contact that allows for corrosion, and sometimes a gradual loss of air from the tank as it is absorbed into the water.
Unless precharged to the minimum operating pressure prior to connection to the system, this style of tank also must be larger than precharged tanks. Accordingly, this design is also almost never used anymore.
Diaphragm tanks
This was the first design of a compression tank that included an air/water barrier (a flexible membrane, to eliminate air migration) and that was designed to be precharged (to reduce tank size). The flexible diaphragm typically is attached to the side of the tank near the middle and is not field replaceable; if the diaphragm ruptures, the tank must be replaced.
Bladder tanks
Los tanques de vejiga usan una vejiga en forma de globo para aceptar el agua expandida. Las vejigas a menudo tienen el tamaño de todo el volumen del tanque, llamada vejiga de "aceptación completa", para evitar daños a la vejiga en caso de que sean anegados. Las vejigas son el campo de generación de aliado reemplazable. Este es ahora el tipo más común de gran tanque de expansión comercial.
Fórmulas de tamaño
La fórmula general para el tamaño del tanque, la ecuación 1 (con nombres variables ajustados para que coincidan con los utilizados en este artículo), de principios básicos que suponen leyes de gas perfectas:
$$V_t = frac{V_s(E_w – E_p)}{(P_s T_c / P_i T_s) – (P_s T_h / P_{max} T_s) – E_{wt}[1 – (P_s T_c / P_{max} T_s)] + E_t} – 0.02 V_s$$Dónde
Vt = volumen total del tanque
Vs = volumen del sistema
PAGs = Iniciar presión Cuando el agua comienza a ingresar al tanque, absoluta
PAGi = Presión inicial (PROCHARGE), Absoluto
PAGmáximo = presión máxima, absoluta
miw = relación de expansión de la unidad del agua en el sistema debido al aumento de la temperatura = (νh/νC-1)
vh = El volumen específico de agua a la temperatura máxima, t.
vC = El volumen específico de agua a la temperatura mínima, TC.
mipag = relación de expansión de la unidad de las tuberías y otros componentes del sistema en el sistema debido al aumento de la temperatura = 3α (Th-TC )
α = coeficiente de expansión de la tubería y otros componentes del sistema, por grado
Th = temperatura promedio máxima promedio en el sistema, grados absoluto
TC = temperatura mínima promedio de agua en el sistema, grados absoluto
Ts = Iniciar la temperatura del aire en el tanque antes del relleno, los grados absolutos
mipeso = relación de expansión de unidades de agua en el tanque debido al aumento de la temperatura
mit = relación de expansión de la unidad del tanque de expansión debido al aumento de la temperatura
El último término (0.02 vs) representa el aire adicional de la desorción del aire disuelto en el agua. Esta ecuación se puede simplificar a Ecuación a continuación Al ignorar pequeños términos y asumir que la temperatura del tanque permanece cerca de la temperatura inicial del relleno (generalmente una buena suposición, suponiendo que no hay aislamiento en el tanque o la tubería, lo cual es una práctica común y recomendada):
$$V_t = frac{V_sleft(frac{v_h}{v_c} – 1 – 3alpha(T_h – T_c)right)}{frac{P_s}{P_i} – frac{P_s}{P_{max}}}$$Esta ecuación incluye el crédito por la expansión del sistema de tuberías. Este término también es relativamente pequeño y los coeficientes de expansión son difíciles de determinar dados los diversos materiales en el sistema, pero se incluye en la ecuación anterior, ya que se incluye en las ecuaciones de dimensionamiento del manual Ashrae. Este término también se incluye en algunos, pero no en la mayoría, el software de selección de fabricantes de tanques de expansión. La mayoría de los fabricantes ignoran de manera conservadora este término, ya que es pequeño y no más grande que los términos ya ignorados en la ecuación anterior. Ignorar este término resulta en la ecuación a continuación:
$$V_t = frac{(((v_h/v_c) – 1) V_s)}{(P_s/P_i) – (P_s/P_{max})}$$El numerador es el volumen del agua expandida, Vmi , ya que se calienta de temperaturas mínimas a máximas, para que la ecuación se pueda escribir:
$$V_t = frac{V_e}{frac{P_s}{P_i} – frac{P_s}{P_{max}}}$$Dónde:
$$V_e = (v_h/v_c – 1) V_s$$La ecuación puede simplificarse aún más en función del estilo del tanque utilizado.
Tanque ventilado
Para los tanques ventilados, las presiones son todas iguales y los límites del dominador a 1, por lo que el tamaño del tanque es simplemente el volumen de agua expandida:
$$V_t = V_e$$Tanque Cerrado (sin precarga)
Para los tanques de acero lisos no ventidos, la presión de arranque es típicamente presión atmosférica con el tanque vacío (sin prepargo). Luego, el tanque está conectado al agua de maquillaje, que presuriza el tanque a la presión de relleno desplazando el aire en el sistema, esencialmente desperdiciando parte del volumen del tanque. Entonces la ecuación del tamaño es:
$$V_l = frac{V_e}{frac{P_a}{P_i} – frac{P_a}{P_{max}}}$$donde, paga = presión atmosférica
Tanque precargado
Para cualquier tanque que esté precargado a la presión inicial requerida, incluidos los tanques de diafragma y vejiga con carga adecuada, pero que también incluye tanques de acero lisos cerrados, PRECHARGE, Ps es igual a Pi Entonces la ecuación de dimensionamiento se reduce a:
$$V_t = frac{V_e}{1 – frac{P_i}{P_{max}}}$$Tenga en cuenta que esta ecuación solo se aplica cuando el tanque está precargado a la P requeridai . Los tanques están cargados de fábrica a una precarga estándar de 12 psig (83 kpag).
Tanque cerrado
For higher desired precharge pressures, either a special order can be made from the factory or the contractor must increase the pressure with compressed air or a hand pump. But it is not uncommon for this to be overlooked. This oversight can be compensated for by sizing the tank using Equation below (assuming atmospheric pressure at sea level):
$$V_t = frac{V_e}{frac{26.7}{P_i} – frac{26.7}{P_{max}}}$$(12 psig/26.7 psia [83 kPag/184 kPaa] precharge). This will increase the tank size vs. a properly precharged tank.
ASME Boiler and Pressure Vessel Code-2015, Section VI
ASME Boiler and Pressure Vessel Code-2015, Section VI, includes sizing equations (as do the UMC and IMC, which extract the equations verbatim), as shown in Equation below, with variables revised to match those used in this article:
$$V_t = frac{V_s(0.00041T_h – 0.0466)}{frac{P_a}{P_i} – frac{P_a}{P_{max}}}$$Comparing the denominator of this Equation to Equation for Closed Tank (no precharge), this formula is clearly for sizing a nonprecharged tank; it will overestimate the size of a precharged tank. The numerator is a curve fit of Vmi ; it assumes a minimum temperature of 65°F (18°C) and is only accurate in the range of about 170°F to 230°F (77°C to 110°C) average operating temperature. Therefore, this equation cannot be used for very high temperature hot water (e.g. 350°F [177°C]), closed-circuit condenser water, or chilled water systems.
Author: Steven T. Taylor, PE
[dvfaqtopic title=”FREQUENTLY ASKED QUESTIONS” topicid=”18912″ skin=”custom” searchbox=”no” switcher=”yes” paginate=”” order=”ASC” orderby=”date”]
