Lorsque l'eau est chauffée, elle se dilate. Si cette expansion se produit dans un système fermé, des pressions d'eau dangereuses peuvent être créées. Un système d'eau chaude domestique peut être un système fermé lorsque les appareils d'eau chaude sont fermés et que la tuyauterie d'approvisionnement en eau froide a des préventifs de débit ou tout autre appareil qui peut isoler le système d'eau chaude domestique du reste de l'approvisionnement en eau domestique.
Ces pressions peuvent rapidement atteindre un point où la soupape de décharge sur le chauffe-eau se délocale, soulageant ainsi la pression, mais en même temps compromettant l'intégrité de la soupape de décharge.
Une soupape de décharge installée sur un chauffe-eau n'est pas une soupape de commande, mais une soupape de sécurité. Il n'est pas conçu ou destiné à une utilisation continue. Des pressions excessives répétées peuvent entraîner une défaillance de l'équipement et des tuyaux et des blessures corporelles.
Lorsqu'il est correctement dimensionné, un réservoir d'expansion connecté au système fermé fournit un volume de système supplémentaire pour l'expansion de l'eau tout en garantissant une pression maximale souhaitée dans un système d'eau chaude domestique. Il le fait en utilisant un coussin d'air sous pression (figure ci-dessous). La discussion suivante explique comment dimensionner un réservoir d'extension pour un système d'eau chaude domestique et la théorie derrière la conception et les calculs. Il est basé sur l'utilisation d'un réservoir d'expansion de diaphragme ou de vessie, qui est le type le plus souvent utilisé dans l'industrie de la plomberie. Ce type de réservoir d'expansion ne permet pas à l'eau et à l'air d'être en contact les uns avec les autres.
Expansion de l'eau
Une livre d'eau à 140 ° F a un plus grand volume que la même livre d'eau à 40 ° F. Pour le dire autrement, le volume spécifique d'eau augmente avec une augmentation de la température.
Si le volume d'eau à une condition de température spécifique est connu, l'expansion de l'eau peut être calculée comme suit:
Où:
- Vew = expansion de l'eau, gallons
- Contre1 = Volume du système d'eau à la température 1, gallons
- Contre2 = Volume du système d'eau à la température 2, gallons
| Temp., ∘ F | Volume spécifique, pi3/kg |
| 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 |
Contre1 est le volume initial du système et peut être déterminé en calculant le volume du système d'eau chaude domestique. Cela implique d'ajouter le volume de l'équipement de chauffage à l'eau au volume de la tuyauterie et à toute autre partie du système d'eau chaude.
Contre2 est le volume d'eau élargi de l'eau à la température de l'eau chaude de conception. Contre2 peut être exprimé en termes de vs1. Pour ce faire, regardez le poids de l'eau dans les deux conditions.
Le poids (O) d'eau à température 1 (T1) est égal au poids de l'eau à t2, ou W1 =W2. À T1, W1 = Vs1/vsp1, et de même en T2, W2 = Vs2/vsp2, où VSP est égal au volume spécifique d'eau aux deux conditions de température. (Voir le tableau ci-dessus pour des données de volume spécifiques.)
Depuis W1 =W2, alors:
Résolution de V2:
Exemple 1:
Un système d'eau chaude domestique a 1 000 gallons d'eau. Combien les 1 000 gallons s'étendront-ils d'une température de 40 ° F à une température de 140 ° F?
À partir du tableau ci-dessus, vsp1 = 0,01602 (à 40 °F) et vsp2 = 0,01629 (à 140 ° F). Utilisation d'équation:
Notez qu'il s'agit de la quantité d'expansion de l'eau et ne doit pas être confondu avec la taille du réservoir d'expansion nécessaire.
Expansion du matériel
Le réservoir d'expansion recevra-t-il toute l'expansion de l'eau?
La réponse est Non, car pas seulement l'eau se développe. L'équipement de tuyauterie et de chauffage à l'eau se développera également avec une augmentation de la température. Toute expansion de ces matériaux entraîne moins l'expansion de l'eau reçue par le réservoir d'expansion. Une autre façon de le regarder est la suivante:
Venet = Vew – Vemat
- Venet = Expansion nette de l'eau reçue par le réservoir d'expansion, gallons
- Voir = Expansion de l'eau, gallons
- Vémat = Expansion du matériel, gallons
Pour déterminer la quantité d'expansion que chaque matériau éprouve par un certain changement de température, regardez le coefficient d'expansion linéaire pour ce matériel.
Pour le cuivre, le coefficient d'expansion linéaire est de 9,5 × 10–6 pouce / pouce / ° F, et pour l'acier, il est de 6,5 × 10–6 pouce/pouce/°F.
À partir du coefficient d'expansion linéaire, le coefficient d'un matériau d'expansion volumétrique peut être déterminé. Le coefficient d'expansion volumétrique est trois fois le coefficient d'expansion linéaire:
ß=3α
ß = coefficient d'expansion volumétrique
α = coefficient d'expansion linéaire
Ainsi, le coefficient volumétrique pour le cuivre est de 28,5 × 10–6 gallon / gallon / ° F, et pour l'acier, il est de 19,5 × 10–6 gallon / gallon / ° F. Le matériau se développera proportionnellement à une augmentation de la température.
Vemat = Vmat × ß (T2 – T1)
Venet = Vew – [Vmat1×ß1 (T2 –T1)+Vmat2×ß2 (T2 –T1)]
Volume nominal de tuyauterie
| Volume de tuyau, GAL / FT linéaire de tuyau | |
| Taille du tuyau, po. | 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 |
Exemple 2 :
Un système d'eau chaude domestique a un chauffe-eau en acier avec un volume de 900 gallons. Il a 100 pieds de tuyauterie de 4 pouces, 100 pieds de tuyauterie de 2 pouces, 100 pieds de tuyauterie de 1½ pouce et 300 pieds de tuyauterie ½ pouce. Toute la tuyauterie est du cuivre. En supposant que la température initiale de l'eau est de 40 ° F et que la température finale de l'eau est de 140 ° F, (1) combien chaque matériel se développera-t-il, et (2) Quelle est l'expansion nette de l'eau qu'un réservoir d'extension verra?
Utiliser l'équation Vémat pour l'acier (matériau n ° 1), vmat1 = 900 gallons et Vemat1 = 900 (19,5 × 10–6) (140 - 40) = 1,8 gallons. Pour le cuivre (matériau n ° 2), regardez d'abord le tableau ci-dessus pour déterminer le volume de chaque taille de tuyau:
- 4 pouces = 100 x 0,67 = 67 gallons
- 2 pouces = 100 x 0,17 = 17 gallons
- 1½ pouces = 100 x 0,10 = 10 gallons
- ½ pouce = 300 x 0,02 = 6 gallons
Volume total de tuyauterie en cuivre = 100 gallons en utilisant l'équation Vémat pour cuivre, Vmat2 = 100 gallons et Vemat2 = 100 (28,5 × 10–6) (140 - 40) = 0,3 gallon.
Le volume initial du système d'eau (vs1) est égal à Vmat1 + Vmat2, ou 900 gallons + 100 gallons. Depuis Dernier exemple, 1 000 gallons d'eau allant de 40 ° F à 140 ° F s'étendent 16,9 gallons. Ainsi, en utilisant l'équation Venet, Venet = 16,9 - (1,8 + 0,03) = 15 gallons. Il s'agit de la quantité nette d'expansion de l'eau que le réservoir d'expansion verra. Encore une fois, notez que ce n'est pas la taille du réservoir d'extension nécessaire.
La loi de Boyle
Après avoir déterminé la quantité d'expansion d'eau que le réservoir d'extension verra, il est temps de voir comment le coussin d'air dans un réservoir d'expansion permet au concepteur de limiter la pression du système.
La loi de Boyle stipule qu'à une température constante, le volume occupé par un poids donné de gaz parfait (y compris à des fins pratiques de l'air atmosphérique) varie inversement comme la pression absolue (pression de jauge + pression atmosphérique). Il est exprimé par ce qui suit:
P1V1 =P2V2
où
- P1 = Pression d'air initiale, livres par pouce carré absolu (psia)
- V1 = Volume initial d'air, gallons
- P2 =Pression d'air finale, psia
- V2 = Volume d'air final, gallons
Comment cette loi est-elle liée aux réservoirs d'extension de dimensionnement dans les systèmes domestiques d'eau chaude?
Le coussin d'air dans le réservoir d'expansion fournit un espace dans lequel l'eau élargie peut aller. Le volume d'air dans le réservoir diminue à mesure que l'eau se dilate et pénètre dans le réservoir. À mesure que le volume d'air diminue, la pression de l'air augmente.
En utilisant la loi de Boyle, le volume initial d'air (c'est-à-dire la taille du réservoir d'expansion) doit être basé sur:
- Pression initiale de l'eau,
- La pression maximale de l'eau souhaitée, et
- Changement dans le volume initial de l'air.
Pour utiliser l'équation ci-dessus, réalisez que la pression de l'air est égale à la pression de l'eau à chaque condition et à l'hypothèse que la température de l'air reste constante à l'état 1 et à l'état 2 sur la figure ci-dessus.
Cette hypothèse est raisonnablement précise si le réservoir d'expansion est installé sur le côté eau froide du chauffe-eau. N'oubliez pas que pour dimensionner un réservoir d'expansion, le concepteur dimensionne un réservoir d'air, pas un réservoir d'eau.
Se référant à la figure ci-dessus, à l'état 1 La charge de pression d'air initiale du réservoir, p1, est égal à la pression de l'eau entrante de l'autre côté du diaphragme. Le volume initial d'air dans le réservoir, V1, est également la taille du réservoir d'expansion. Le dernier volume d'air dans le réservoir, V2, peut également être exprimé par V1 moins l'expansion nette de l'eau (vénit).
La pression de l'air à l'état 2, p2, est la même pression que la pression maximale souhaitée du système d'eau chaude domestique à la température finale, t2. P2 devrait toujours être inférieur au réglage de la soupape de décharge sur le chauffe-eau.
En utilisant la loi de Boyle :
- V1 = Taille du réservoir d'expansion requis pour maintenir la pression du système souhaitée, P2, gallons
- Venet = Expansion nette de l'eau, gallons P1 = pression de l'eau entrante, PSIA (Remarque: La pression absolue est une pression de jauge plus la pression atmosphérique, ou 50 psig = 64,7 psia.)
- P2 = pression maximale souhaitée de l'eau, psia
Exemple 3 :
En regardant à nouveau le système d'eau chaude domestique décrit dans Exemple 2, si la pression d'alimentation en eau froide est de 50 psig et que la pression d'eau maximale souhaitée est de 110 psig, quelle taille de réservoir d'expansion est nécessaire?
Exemple 2 a déterminé que le vénit équivaut à 15 gallons. Conversion des pressions données en équations absolues et utilisant des équations décrites ci-dessus, la taille du réservoir d'extension nécessaire peut être déterminée comme suit:
Remarque: Lors de la sélection du réservoir d'extension, assurez-vous que le diaphragme ou la vessie du réservoir peut accepter 15 gallons d'eau (vénit).
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