Cuando el agua se calienta, se expande. Si esta expansión ocurre en un sistema cerrado, se pueden crear presiones de agua peligrosas. Un sistema doméstico de agua caliente puede ser un sistema cerrado cuando los accesorios de agua caliente están cerradas y la tubería de suministro de agua fría tiene evasiones de flujo de retorno o cualquier otro dispositivo que pueda aislar el sistema de agua caliente doméstica del resto del suministro de agua doméstica.
Estas presiones pueden subir rápidamente a un punto en el que la válvula de alivio en el calentador de agua se desatora, aliviando así la presión, pero al mismo tiempo comprometiendo la integridad de la válvula de alivio.
Una válvula de alivio instalada en un calentador de agua no es una válvula de control, sino una válvula de seguridad. No está diseñado o destinado al uso continuo. Las presiones excesivas repetidas pueden conducir a la falla del equipo y la tubería y las lesiones personales.
Cuando se produce correctamente, un tanque de expansión conectado al sistema cerrado proporciona un volumen adicional del sistema para la expansión del agua, al tiempo que garantiza una presión máxima deseada en un sistema de agua caliente doméstica. Lo hace utilizando un cojín presurizado de aire (figura a continuación). La siguiente discusión explica cómo dimensionar un tanque de expansión para un sistema doméstico de agua caliente y la teoría detrás del diseño y los cálculos. Se basa en el uso de un diafragma o tanque de expansión de tipo vejiga, que es el tipo más utilizado en la industria de la plomería. Este tipo de tanque de expansión no permite que el agua y el aire estén en contacto entre sí.
Expansión del agua
Una libra de agua a 140 ° F tiene un volumen mayor que la misma libra de agua a 40 ° F. Para decirlo de otra manera, el volumen específico de agua aumenta con un aumento de la temperatura.
Si se conoce el volumen de agua a una condición de temperatura específica, la expansión del agua se puede calcular de la siguiente manera:
Dónde:
- Vew = expansión del agua, galones
- VS1 = Volumen del sistema de agua a la temperatura 1, galones
- VS2 = Volumen del sistema de agua a la temperatura 2, galones
| Temp., ∘ f | Volumen específico, FT3/LB |
| 40 | 0.01602 |
| 50 | 0.01602 |
| 60 | 0.01604 |
| 70 | 0.01605 |
| 80 | 0.01607 |
| 90 | 0.01610 |
| 100 | 0.01613 |
| 110 | 0.01617 |
| 120 | 0.01620 |
| 130 | 0.01625 |
| 140 | 0.01629 |
| 150 | 0.01634 |
| 160 | 0.01639 |
VS1 es el volumen inicial del sistema y se puede determinar calculando el volumen del sistema de agua caliente doméstica. Esto implica agregar el volumen del equipo de calentamiento de agua al volumen de la tubería y cualquier otra parte del sistema de agua caliente.
VS2 es el volumen ampliado del sistema de agua a la temperatura de agua de diseño. VS2 se puede expresar en términos de VS1. Para hacer eso, mire el peso del agua en ambas condiciones.
El peso (W) de agua a la temperatura 1 (t1) es igual al peso del agua en t2, o w1 = W2. En t1, W1 = VS1/VSP1, y de manera similar en t2, W2 = VS2/VSP2, donde VSP es igual al volumen específico de agua en las dos condiciones de temperatura. (Consulte la tabla anterior para obtener datos de volumen específicos).
Desde que w1 = W2, entonces:
Resolviendo VS2:
Ejemplo 1:
Un sistema doméstico de agua caliente tiene 1,000 galones de agua. ¿Cuánto se expandirán los 1,000 galones de una temperatura de 40 ° F a una temperatura de 140 ° F?
De la tabla anterior, VSP1 = 0.01602 (a 40 ° F) y VSP2 = 0.01629 (a 140 ° F). Utilización de la ecuación:
Tenga en cuenta que esta es la cantidad de expansión del agua y no debe confundirse con el tamaño del tanque de expansión necesario.
Expansión del material
¿El tanque de expansión recibirá toda la expansión del agua?
La respuesta es no, porque no solo el agua se está expandiendo. La tubería y el equipo de calentamiento de agua también se expanden con un aumento de la temperatura. Cualquier expansión de estos materiales da como resultado una menor expansión del agua que recibe el tanque de expansión. Otra forma de verlo es la siguiente:
Venet = Vew - Vemat
- Venet = Expansión neta del agua recibida por el tanque de expansión, galones
- Vela = Expansión del agua, galones
- Vemat = Expansión del material, galones
Para determinar la cantidad de expansión que cada material experimenta según un cierto cambio de temperatura, mire el coeficiente de expansión lineal para ese material.
Para el cobre, el coeficiente de expansión lineal es 9.5 × 10–6 pulgada/pulgada/° F, y para el acero es 6.5 × 10–6 pulgada/pulgada/° F.
A partir del coeficiente de expansión lineal, se puede determinar el coeficiente de expansión volumétrica de un material. El coeficiente de expansión volumétrica es tres veces el coeficiente de expansión lineal:
ß = 3α
ß = coeficiente volumétrico de expansión
α = coeficiente lineal de expansión
Por lo tanto, el coeficiente volumétrico para el cobre es 28.5 × 10–6 galón/galón/° F, y para el acero es 19.5 × 10–6 galón/galón/° F. El material se expandirá proporcionalmente con un aumento de la temperatura.
Vemat = VMAT × ß (T2 - T1)
Venet = Vew - [VMAT1× ß1 (T2 - t1)+Vmat2× ß2 (T2 - t1)
Volumen nominal de tuberías
| Volumen de tubería, gal/ft lineal de tubería | |
| Tamaño de tubería, in. | 0.02 0.02 0.02 |
| 1 / 2 1 / 2 1//2 | 0.03 0.03 0.03 |
| 3 / 4 3 / 4 3//4 | 0.04 0.04 0.04 |
| 1 | 0.07 0.07 0.07 |
| 11 / 4 11 / 4 11//4 | 0.10 0.10 0.10 |
| 11 / 2 11 / 2 11//2 | 0.17 0.17 0.17 |
| 2 | 0.25 0.25 0.25 |
| 21 / 2 21 / 2 21//2 | 0.38 0.38 0.38 |
| 3 | 0.67 0.67 0.67 |
| 4 | 1.50 1.50 1.50 |
| 6 | 2.70 2.70 2.70 |
| 8 |
Ejemplo 2:
Un sistema doméstico de agua caliente tiene un calentador de agua hecho de acero con un volumen de 900 galones. Tiene 100 pies de tubería de 4 pulgadas, 100 pies de tuberías de 2 pulgadas, 100 pies de tubería de 1½ pulgadas y 300 pies de tuberías de ½ pulgada. Toda la tubería es de cobre. Suponiendo que la temperatura inicial del agua es de 40 ° F y la temperatura final del agua es de 140 ° F, (1) ¿Cuánto se expandirá cada material?y (2) ¿Cuál es la expansión neta del agua que verá un tanque de expansión??
Utilización de la ecuación Vemat para el acero (material no. 1), VMAT1 = 900 galones y Vemat1 = 900 (19.5 × 10–6) (140 - 40) = 1.8 galones. Para el cobre (material no. 2), primero busque la tabla anterior para determinar el volumen de cada tamaño de tubería:
- 4 pulgadas = 100 x 0.67 = 67 galones
- 2 pulgadas = 100 x 0.17 = 17 galones
- 1½ pulgadas = 100 x 0.10 = 10 galones
- ½ pulgada = 300 x 0.02 = 6 galones
Volumen total de tuberías de cobre = 100 galones utilizando la ecuación Vemat para cobre, vmat2 = 100 galones y Vemat2 = 100 (28.5 × 10–6) (140 - 40) = 0.3 galones.
El volumen inicial del sistema de agua (vs1) es igual a VMAT1 + VMAT2, o 900 galones + 100 galones. De Último ejemplo, 1,000 galones de agua que van de 40 ° F a 140 ° F expande 16.9 galones. Por lo tanto, utilizando la ecuación Venet, Venet = 16.9 - (1.8 + 0.03) = 15 galones. Esta es la cantidad neta de expansión del agua que verá el tanque de expansión. Una vez más, tenga en cuenta que este no es del tamaño del tanque de expansión necesario.
Ley de Boyle
Después de determinar cuánta expansión de agua verá el tanque de expansión, es hora de ver cómo el cojín del aire en un tanque de expansión permite al diseñador limitar la presión del sistema.
La ley de Boyle afirma que a una temperatura constante, el volumen ocupado por un peso dado de gas perfecto (incluso para fines prácticos, el aire atmosférico) varía inversamente como la presión absoluta (presión de medidor + presión atmosférica). Se expresa por lo siguiente:
PAG1V1 = P2V2
dónde
- PAG1 = Presión de aire inicial, libras por pulgada cuadrada absoluta (psia)
- V1 = Volumen inicial de aire, galones
- PAG2 = Presión del aire final, psia
- V2 = Volumen final de aire, galones
¿Cómo se relaciona esta ley con los tanques de expansión del tamaño en los sistemas domésticos de agua caliente?
El cojín de aire en el tanque de expansión proporciona un espacio en el que puede ir el agua expandida. El volumen de aire en el tanque disminuye a medida que el agua se expande y ingresa al tanque. A medida que disminuye el volumen de aire, aumenta la presión del aire.
Utilizando la ley de Boyle, el volumen inicial de aire (es decir, el tamaño del tanque de expansión) debe basarse en:
- Presión de agua inicial,
- Deseada presión máxima de agua, y
- Cambio en el volumen inicial del aire.
Para utilizar la ecuación anterior, tenga en cuenta que la presión del aire es igual a la presión del agua en cada condición, y suponga que la temperatura del aire permanece constante en la condición 1 y la condición 2 en la figura anterior.
Esta suposición es razonablemente precisa si el tanque de expansión está instalado en el lado de agua fría del calentador de agua. Recuerde, al dimensionar un tanque de expansión, el diseñador está dañando un tanque de aire, no un tanque de agua.
Refiriéndose a la figura anterior, en la condición 1 la carga de presión de aire inicial del tanque, P1, es igual a la presión de agua entrante en el otro lado del diafragma. El volumen inicial de aire en el tanque, v1, también es del tamaño del tanque de expansión. El volumen final de aire en el tanque, v2, también se puede expresar como V1 Menos la expansión neta del agua (Venet).
La presión del aire en la condición 2, p2, es la misma presión que la presión máxima deseada del sistema de agua caliente doméstica a la temperatura final, T2. PAG2 siempre debe ser menor que el ajuste de la válvula de alivio en el calentador de agua.
Utilizando la ley de Boyle:
- V1 = Tamaño del tanque de expansión requerido para mantener la presión del sistema deseada, P2, galones
- Venet = expansión neta del agua, galones P1 = presión de agua entrante, psia (nota: la presión absoluta es la presión del medidor más la presión atmosférica, o 50 psig = 64.7 psia).
- P2 = Presión máxima deseada de agua, psia
Ejemplo 3:
Mirando nuevamente el sistema doméstico de agua caliente descrita en Ejemplo 2, Si la presión de suministro de agua fría es de 50 psig y la presión máxima de agua deseada es de 110 psig, ¿qué tamaño de tanque de expansión se requiere?
Ejemplo 2 Determinado que Venet equivale a 15 galones. Convertir las presiones dadas a las ecuaciones absolutas y utilizando las ecuaciones descritas anteriormente, el tamaño del tanque de expansión necesario puede determinarse como:
Nota: Al seleccionar el tanque de expansión, asegúrese de que el diafragma o la vejiga del tanque pueda aceptar 15 galones de agua (Venet).
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