Cuando el agua se calienta, se expande. Si esta expansión ocurre en un sistema cerrado, se pueden crear presiones de agua peligrosas. Un sistema de agua caliente sanitaria puede ser un sistema cerrado cuando los accesorios de agua caliente están cerrados y la tubería de suministro de agua fría tiene válvulas antirretorno o cualquier otro dispositivo que pueda aislar el sistema de agua caliente sanitaria del resto del suministro de agua sanitaria.
Estas presiones pueden aumentar rápidamente hasta un punto en el que la válvula de alivio del calentador de agua se sale del asiento, 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 ni destinado para uso continuo. Las presiones excesivas repetidas pueden provocar fallas en el equipo y las tuberías y lesiones personales.
Cuando tiene el tamaño adecuado, un tanque de expansión conectado al sistema cerrado proporciona un volumen adicional del sistema para la expansión del agua al tiempo que garantiza la presión máxima deseada en un sistema de agua caliente sanitaria. Lo hace utilizando un colchón de aire presurizado (figura a continuación). La siguiente discusión explica cómo dimensionar un tanque de expansión para un sistema de agua caliente sanitaria y la teoría detrás del diseño y los cálculos. Se basa en el uso de un tanque de expansión tipo diafragma o vejiga, que es el tipo más utilizado en la industria de la plomería. Este tipo de vaso de expansión no permite que el agua y el aire entren en contacto.
Expansión del Agua
Una libra de agua a 140°F tiene un volumen mayor que la misma libra de agua a 40°F. Dicho de otro modo, el volumen específico del agua aumenta con el aumento de la temperatura.
Si se conoce el volumen de agua en una condición de temperatura específica, la expansión del agua se puede calcular de la siguiente manera:
Dónde:
- Vew = Expansión de agua, galones
- contra1 = Volumen del sistema de agua a temperatura 1, galones
- contra2 = Volumen del sistema de agua a temperatura 2, galones
| temperatura, ∘ F | Volumen específico, pies3/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 |
contra1 es el volumen inicial del sistema y se puede determinar calculando el volumen del sistema de agua caliente sanitaria. Esto implica sumar el volumen del equipo de calentamiento de agua al volumen de las tuberías y cualquier otra parte del sistema de agua caliente.
contra2 es el volumen de agua del sistema expandido a la temperatura de diseño del agua caliente. contra2 se puede expresar en términos de Vs1. Para hacer eso, mire el peso del agua en ambas condiciones.
El peso (W) de agua a temperatura 1 (T1) es igual al peso del agua en T2, o W1 = W2. en t1, W1 = contra1/vsp1, y de manera similar en T2, W2 = contra2/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 W1 = W2, después:
Resolviendo para 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). Utilizando la ecuación:
Tenga en cuenta que esta es la cantidad de expansión de agua y no debe confundirse con el tamaño del tanque de expansión necesario.
Expansión de Material
¿El tanque de expansión recibirá toda la expansión de agua?
La respuesta es no, porque no solo el agua se está expandiendo. Las tuberías y el equipo de calentamiento de agua también se expanden con el aumento de la temperatura. Cualquier expansión de estos materiales da como resultado que el tanque de expansión reciba menos expansión de agua. Otra forma de verlo es la siguiente:
Venet = Vista – Vemat
- Véneto = Expansión neta de agua recibida por el tanque de expansión, galones
- vista = Expansión de agua, galones
- Vemat = Expansión de material, galones
Para determinar la cantidad de expansión que experimenta cada material por un cierto cambio de temperatura, mire la 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 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 de expansión lineal
Por tanto, el coeficiente volumétrico del cobre es 28,5 × 10–6 galón/galón/°F, y para 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)
Veneto = Vista – [Vmat1×ß1 (T2 – T1)+Vmat2×ß2 (T2 – T1)]
Volumen nominal de tubería
| Volumen de tubería, gal/pie lineal de tubería | |
| Tamaño de la tubería, pulg. | 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 de agua caliente sanitaria tiene un calentador de agua de acero con un volumen de 900 galones. Tiene 100 pies de tubería de 4 pulgadas, 100 pies de tubería de 2 pulgadas, 100 pies de tubería de 1½ pulgada y 300 pies de tubería 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 de agua que verá un tanque de expansión??
utilizando 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 n.º 2), consulte primero 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 tubería 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 de agua del sistema (Vs1) es igual a Vmat1 + Vmat2, o 900 galones + 100 galones. Desde último ejemplo, 1,000 galones de agua que van de 40°F a 140°F expanden 16.9 galones. Por lo tanto, utilizando la Ecuación Véneto, Venet = 16,9 – (1,8 + 0,03) = 15 galones. Esta es la cantidad neta de expansión de agua que verá el tanque de expansión. Una vez más, tenga en cuenta que este no es el 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 colchón de aire en un tanque de expansión le permite al diseñador limitar la presión del sistema.
La ley de Boyle establece que a una temperatura constante, el volumen ocupado por un peso dado de gas perfecto (incluido, para fines prácticos, el aire atmosférico) varía inversamente a la presión absoluta (presión manométrica + presión atmosférica). Se expresa por lo siguiente:
PAG1V1 = PAG2V2
dónde
- PAG1 =Presión de aire inicial, libras por pulgada cuadrada absoluta (psia)
- V1 =Volumen inicial de aire, galones
- PAG2 = Presión de aire final, psia
- V2 =Volumen final de aire, galones
¿Cómo se relaciona esta ley con el dimensionamiento de los tanques de expansión en los sistemas de agua caliente sanitaria?
El colchón de aire en el tanque de expansión proporciona un espacio al que puede entrar el agua expandida. El volumen de aire en el tanque disminuye a medida que el agua se expande y entra al tanque. A medida que el volumen de aire disminuye, la presión del aire aumenta.
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,
- Presión de agua máxima deseada, 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 del agua fría del calentador de agua. Recuerde, al dimensionar un tanque de expansión, el diseñador está dimensionando un tanque de aire, no un tanque de agua.
Con referencia a la figura anterior, en la condición 1, la carga de presión de aire inicial del tanque, P1, es igual a la presión del agua entrante en el otro lado del diafragma. El volumen inicial de aire en el tanque, V1, es también el tamaño del tanque de expansión. El volumen final de aire en el tanque, V2, también se puede expresar como V1 menos la expansión neta de 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 sanitaria 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 deseada del sistema, P2, galones
- Venet= Expansión neta de agua, galones P1 = Presión de agua entrante, psia (Nota: la presión absoluta es la presión manométrica más la presión atmosférica, o 50 psig = 64,7 psia).
- P2 = Presión máxima deseada de agua, psia
Ejemplo 3:
Mirando de nuevo el sistema de agua caliente sanitaria descrito en Ejemplo 2, si la presión del suministro de agua fría es de 50 psig y la presión de agua máxima deseada es de 110 psig, ¿qué tamaño de tanque de expansión se requiere?
Ejemplo 2 determinó que Venet equivale a 15 galones. Convirtiendo las presiones dadas en absolutas y utilizando las ecuaciones descritas anteriormente, el tamaño del tanque de expansión necesario se puede determinar como:
Nota: Al seleccionar el tanque de expansión, asegúrese de que el diafragma o vejiga del tanque pueda aceptar 15 galones de agua (Venet).
