Les réservoirs d'expansion sont une partie nécessaire de tous les systèmes hydroniques fermés pour contrôler à la fois la pression minimale et maximale dans tout le système. Les réservoirs d'expansion sont fournis dans les systèmes hydroniques fermés pour (1) accepter les changements de volume d'eau du système lorsque la densité de l'eau change avec la température pour maintenir les pressions du système en dessous des limites de pression nominale des équipements et des composants du système de tuyauterie. De plus, (2) maintenir une pression manométrique positive dans toutes les parties du système pour empêcher l'air de s'infiltrer dans le système. (3) Maintenir des pressions suffisantes dans toutes les parties du système pour empêcher l'ébullition, y compris la cavitation au niveau des vannes de régulation et autres étranglements similaires. (4) Maintenir la hauteur d'aspiration positive nette requise (NPSHR) à l'aspiration des pompes.
Les deux derniers points ne s'appliquent généralement qu'aux systèmes d'eau chaude à haute température (supérieure à environ 210°F [99°C]). Pour la plupart des applications HVAC, seuls les deux premiers points doivent être pris en compte.
Styles de réservoir
Il existe quatre styles de base de vases d'expansion :
Réservoirs en acier ventilés ou ouverts
Puisqu'ils sont ventilés, les réservoirs ouverts doivent être situés au point le plus élevé du système. La température de l'eau ne peut pas être supérieure à 212°F (100°C), et le contact air/eau entraîne une migration constante d'air dans le système, provoquant de la corrosion. En conséquence, cette conception n'est presque plus utilisée.
Cuves en acier fermées
Également appelés réservoirs en acier ordinaire ou réservoirs à compression par certains fabricants.
Il s'agit du même style de réservoir que le réservoir ventilé, mais avec l'évent bouché. Cela permet au réservoir d'être situé n'importe où dans le système et de fonctionner avec des températures plus élevées. Mais ils ont toujours le contact air/eau qui permet la corrosion, et parfois une perte progressive d'air du réservoir au fur et à mesure qu'il est absorbé dans l'eau.
À moins qu'il ne soit préchargé à la pression de fonctionnement minimale avant le raccordement au système, ce type de réservoir doit également être plus grand que les réservoirs préchargés. En conséquence, cette conception n'est presque plus utilisée.
Réservoirs à diaphragme
Il s'agissait de la première conception d'un réservoir de compression qui comprenait une barrière air/eau (une membrane flexible, pour éliminer la migration de l'air) et qui était conçu pour être préchargé (pour réduire la taille du réservoir). Le diaphragme flexible est généralement fixé sur le côté du réservoir près du milieu et n'est pas remplaçable sur le terrain ; si la membrane se rompt, le réservoir doit être remplacé.
Réservoirs à vessie
Les réservoirs à vessie utilisent une vessie en forme de ballon pour accepter l'eau expansée. Les vessies sont souvent dimensionnées pour tout le volume du réservoir, appelée vessie « à acceptation totale », afin d'éviter d'endommager la vessie au cas où elles seraient gorgées d'eau. Les vessies sont généralement remplaçables sur le terrain. C'est maintenant le type le plus courant de grand vase d'expansion commercial.
Formules de dimensionnement
La formule générale pour le dimensionnement des réservoirs, l'équation 1 (avec des noms de variables ajustés pour correspondre à ceux utilisés dans cet article), à partir de principes de base supposant des lois de gaz parfaites :
`V_(t)=(V_(s)(E_(w)-E_(p)))/((P_(s)T_(c))/(P_(i)T_(s))-(P_( s)T_(h))/(P_(max)T_(s))-E_(poids)[1-(P_(s)T_(c))/(P_(max)T_(s))]+E_ (t))-0.02V_(s)`Où
Vt = volume total du réservoir
Vs = volume du système
Ps = pression de démarrage lorsque l'eau commence à entrer dans le réservoir, absolue
Pje = pression initiale (précharge), absolue
Pmaximum = pression maximale, absolue
Ew = taux d'expansion unitaire de l'eau dans le système dû à l'augmentation de la température = (νh/νc-1)
vh = le volume spécifique d'eau à la température maximale, Th.
vc = le volume spécifique d'eau à la température minimale, Tc .
Ep = taux de dilatation unitaire de la tuyauterie et des autres composants du système dans le système en raison de l'élévation de température = 3α(Th-Tc )
α = coefficient de dilatation de la tuyauterie et des autres composants du système, par degré
Jh = température moyenne maximale de l'eau dans le système, degrés absolus
Jc = température moyenne minimale de l'eau dans le système, degrés absolus
Js = température de départ de l'air dans le réservoir avant le remplissage, degrés absolus
Epoids = taux d'expansion unitaire de l'eau dans le réservoir dû à l'élévation de température
Et = taux d'expansion unitaire du vase d'expansion dû à l'échauffement
Le dernier terme (0,02 Vs) tient compte de l'air supplémentaire provenant de la désorption de l'air dissous dans l'eau. Cette équation peut être simplifiée en Équation ci-dessous en ignorant les petits termes et en supposant que la température du réservoir reste proche de la température de remplissage initiale (généralement une bonne hypothèse, en supposant qu'il n'y a pas d'isolation sur le réservoir ou de tuyauterie vers celui-ci, ce qui est une pratique courante et recommandée) :
`V_(t)=(V_(s)[((v_(h))/(v_(c))-1)-3alpha(T_(h)-T_(c))])/((P_(s ))/(P_(i))-(P_(s))/(P_(max)))`Cette équation comprend le crédit pour l'expansion du système de tuyauterie. Ce terme est également relativement petit et les coefficients de dilatation sont difficiles à déterminer compte tenu des différents matériaux du système, mais il est inclus dans l'équation ci-dessus car il est inclus dans les équations de dimensionnement du manuel ASHRAE. Ce terme est également inclus dans certains logiciels de sélection des fabricants de vases d'expansion, mais pas dans la plupart. La plupart des fabricants ignorent prudemment ce terme car il est petit et pas plus grand que les termes déjà ignorés dans l'équation ci-dessus. Ignorer ce terme entraîne l'équation ci-dessous :
`V_(t)=(((v_(h))/(v_(c))-1)V_(s))/((P_(s))/(P_(i))-(P_(s) )/(P_(max)))`Le numérateur est le volume de l'eau expansée, Ve , à mesure qu'il se réchauffe des températures minimales aux températures maximales, l'équation peut donc s'écrire :
`V_(t)=(V_(e))/((P_(s))/(P_(i))-(P_(s))/(P_(max)))`Où:
`V_(e)=(v_(h)//v_(c)-1)V_(s)`L'équation peut être encore simplifiée en fonction du style de réservoir utilisé.
Réservoir ventilé
Pour les réservoirs ventilés, les pressions sont toutes les mêmes et le dominant se limite à 1, de sorte que la taille du réservoir est simplement le volume d'eau dilatée :
`V_(t)=V_(e)`Réservoir fermé (pas de précharge)
Pour les réservoirs en acier ordinaire non ventilés, la pression de démarrage est généralement la pression atmosphérique avec le réservoir vide (pas de précharge). Le réservoir est ensuite relié à l'eau d'appoint, qui pressurise le réservoir à la pression de remplissage en déplaçant l'air dans le système, gaspillant essentiellement une partie du volume du réservoir. L'équation de dimensionnement est donc :
`V_(l)=(V_(e))/((P_(a))/(P_(i))-(P_(a))/(P_(max)))`Où, Pun = pression atmosphérique
Réservoir préchargé
Pour tout réservoir préchargé à la pression initiale requise, y compris les réservoirs à diaphragme et à vessie correctement chargés, mais également les réservoirs fermés en acier ordinaire s'ils sont préchargés, Ps est égal à Pje donc l'équation de dimensionnement se réduit à :
`V_(t)=(V_(e))/(1-(P_(i))/(P_(max)))`Notez que cette équation ne s'applique que lorsque le réservoir est préchargé au P requisje . Les réservoirs sont chargés en usine à une précharge standard de 12 psig (83 kPag).
Réservoir fermé
Pour des pressions de précharge plus élevées, une commande spéciale peut être effectuée auprès de l'usine ou l'entrepreneur doit augmenter la pression avec de l'air comprimé ou une pompe à main. Mais il n'est pas rare que cela soit négligé. Cet oubli peut être compensé en dimensionnant le réservoir à l'aide de l'équation ci-dessous (en supposant la pression atmosphérique au niveau de la mer) :
`V_(t)=(V_(e))/((26.7)/(P_(i))-(26.7)/(P_(max)))`(précharge de 12 psig/26,7 psia [83 kPag/184 kPaa]). Cela augmentera la taille du réservoir par rapport à un réservoir correctement préchargé.
ASME Boiler and Pressure Vessel Code-2015, Section VI
ASME Boiler and Pressure Vessel Code-2015, Section VI, comprend des équations de dimensionnement (tout comme l'UMC et l'IMC, qui extraient les équations textuellement), comme indiqué dans l'équation ci-dessous, avec des variables révisées pour correspondre à celles utilisées dans cet article :
`V_(t)=(V_(s)(0.00041T_(h)-0.0466))/((P_(a))/(P_(i))-(P_(a))/(P_(max)) )`En comparant le dénominateur de cette équation à l'équation pour réservoir fermé (pas de précharge), cette formule est clairement destinée au dimensionnement d'un réservoir non préchargé ; cela surestimera la taille d'un réservoir préchargé. Le numérateur est un ajustement de courbe de Ve ; il suppose une température minimale de 65 °F (18 °C) et n'est précis que dans la plage de température de fonctionnement moyenne d'environ 170 °F à 230 °F (77 °C à 110 °C). Par conséquent, cette équation ne peut pas être utilisée pour l'eau chaude à très haute température (par exemple 350 °F [177 °C]), l'eau du condenseur en circuit fermé ou les systèmes d'eau glacée..
Auteur : Steven T. Taylor, Î.-P.-É.
