I vasi di espansione sono una parte necessaria di tutti i sistemi idronici chiusi per controllare sia la pressione minima che quella massima in tutto il sistema. I serbatoi di espansione sono forniti nei sistemi idronici chiusi per (1) accettare le variazioni del volume dell'acqua del sistema man mano che la densità dell'acqua cambia con la temperatura per mantenere le pressioni del sistema al di sotto dei limiti nominali di pressione delle apparecchiature e dei componenti del sistema di tubazioni. Inoltre, (2) mantenere una pressione relativa positiva in tutte le parti del sistema per evitare perdite d'aria nel sistema. (3) Mantenere pressioni sufficienti in tutte le parti del sistema per prevenire l'ebollizione, inclusa la cavitazione sulle valvole di controllo e simili restringimenti. (4) Mantenere il battente di aspirazione positivo netto richiesto (NPSHR) all'aspirazione delle pompe.
Gli ultimi due punti generalmente si applicano solo ai sistemi di acqua calda ad alta temperatura (maggiore di circa 210°F [99°C]). Per la maggior parte delle applicazioni HVAC è necessario considerare solo i primi due punti.
Stili di carri armati
Esistono quattro stili base di vasi di espansione:
Serbatoi in acciaio ventilati o aperti
I serbatoi aperti, essendo ventilati, devono essere posizionati nel punto più alto dell'impianto. La temperatura dell'acqua non può essere superiore a 100 °C (212 °F) e il contatto aria/acqua provoca una migrazione costante di aria nel sistema, causando corrosione. Di conseguenza, questo design non viene quasi mai più utilizzato.
Serbatoi chiusi in acciaio
Chiamati anche serbatoi in acciaio semplice o serbatoi di compressione da alcuni produttori.
Questo è lo stesso stile del serbatoio ventilato, ma con lo sfiato tappato. Ciò consente al serbatoio di essere posizionato in qualsiasi punto del sistema e di funzionare con temperature più elevate. Ma hanno ancora il contatto aria/acqua che consente la corrosione e talvolta una graduale perdita di aria dal serbatoio man mano che viene assorbita dall'acqua.
A meno che non sia precaricato alla pressione operativa minima prima del collegamento al sistema, anche questo tipo di serbatoio deve essere più grande dei serbatoi precaricati. Di conseguenza, anche questo design non viene quasi mai più utilizzato.
Serbatoi a membrana
Questo è stato il primo progetto di un serbatoio di compressione che includeva una barriera aria/acqua (una membrana flessibile, per eliminare la migrazione dell'aria) e che era progettato per essere precaricato (per ridurre le dimensioni del serbatoio). Il diaframma flessibile è generalmente fissato al lato del serbatoio vicino al centro e non è sostituibile sul campo; se si rompe la membrana è necessario sostituire il serbatoio.
Serbatoi a vescica
I serbatoi a vescica utilizzano una vescica simile a un palloncino per accettare l'acqua espansa. Le sacche d'aria sono spesso dimensionate per l'intero volume del serbatoio, chiamate sacche d'aria di "piena accettazione", per evitare danni alla vescica nel caso in cui si ristagnino. Le camere d'aria sono generalmente sostituibili sul campo. Questo è ora il tipo più comune di grande vaso di espansione commerciale.
Formule di dimensionamento
La formula generale per il dimensionamento del serbatoio, Equazione 1 (con i nomi delle variabili adattati per corrispondere a quelli utilizzati in questo articolo), dai principi di base che presuppongono leggi dei gas perfette:
$$V_t = \frac{V_s(E_w – E_p)}{(P_s T_c / P_i T_s) – (P_s T_h / P_{max} T_s) – E_{wt}[1 – (P_s T_c / P_{max} T_s)] + E_t} – 0.02 V_s$$Dove
Vt = volume totale del serbatoio
VS = volume del sistema
PS = pressione iniziale quando l'acqua inizia ad entrare nel serbatoio, assoluta
Pio = pressione iniziale (di precarica), assoluta
Pmax = pressione massima, assoluta
Ew = rapporto di espansione unitario dell’acqua nell’impianto dovuto all’aumento di temperatura = (νh/νc-1)
vh = il volume specifico dell'acqua alla temperatura massima, Th.
vc = il volume specifico di acqua alla temperatura minima, Tc .
Ep = rapporto di dilatazione unitaria delle tubazioni e degli altri componenti del sistema dovuto all'aumento della temperatura = 3α(Th-Tc )
α = coefficiente di dilatazione delle tubazioni e degli altri componenti dell'impianto, per grado
Th = temperatura media massima dell'acqua nell'impianto, gradi assoluti
Tc = temperatura media minima dell'acqua nell'impianto, gradi assoluti
TS = temperatura iniziale dell'aria nel serbatoio prima del riempimento, gradi assoluti
Epeso = rapporto di dilatazione unitaria dell'acqua nel serbatoio dovuta all'aumento di temperatura
Et = rapporto di espansione unitario del vaso di espansione dovuto all'aumento di temperatura
L'ultimo termine (0,02 Vs) rappresenta l'aria aggiuntiva derivante dal desorbimento dell'aria disciolta nell'acqua. Questa equazione può essere semplificata in Equazione di seguito ignorando i termini piccoli e presupponendo che la temperatura del serbatoio rimanga vicina alla temperatura di riempimento iniziale (in genere un buon presupposto, presupponendo l'assenza di isolamento sul serbatoio o sulle tubazioni ad esso, che è una pratica comune e consigliata):
$$V_t = \frac{V_s\left(\frac{v_h}{v_c} – 1 – 3\alpha(T_h – T_c)\right)}{\frac{P_s}{P_i} – \frac{P_s}{P_{max}}}$$Questa equazione include il credito per l'espansione del sistema di tubazioni. Anche questo termine è relativamente piccolo e i coefficienti di espansione sono difficili da determinare dati i vari materiali nel sistema, ma è incluso nell'equazione sopra poiché è incluso nelle equazioni di dimensionamento del Manuale ASHRAE. Questo termine è incluso anche nel software di selezione di alcuni produttori di vasi di espansione, ma non nella maggior parte. La maggior parte dei produttori ignora prudenzialmente questo termine poiché è piccolo e non più grande dei termini già ignorati nell'equazione precedente. Ignorando questo termine si ottiene l'equazione seguente:
$$V_t = \frac{(((v_h/v_c) – 1) V_s)}{(P_s/P_i) – (P_s/P_{max})}$$Il numeratore è il volume dell'acqua espansa, Ve , man mano che si riscalda dalle temperature minime a quelle massime, quindi l'equazione può essere scritta:
$$V_t = \frac{V_e}{\frac{P_s}{P_i} – \frac{P_s}{P_{max}}}$$Dove:
$$V_e = (v_h/v_c – 1) V_s$$L'equazione può essere ulteriormente semplificata in base allo stile del serbatoio utilizzato.
Serbatoio ventilato
Per i serbatoi ventilati, le pressioni sono tutte uguali e il limite dominante è 1, quindi la dimensione del serbatoio è semplicemente il volume dell'acqua espansa:
$$V_t = V_e$$Serbatoio Chiuso (senza precarica)
Per i serbatoi in acciaio semplice non ventilati, la pressione iniziale è generalmente la pressione atmosferica con il serbatoio vuoto (senza precarica). Il serbatoio viene quindi collegato all'acqua di reintegro, che pressurizza il serbatoio alla pressione di riempimento spostando l'aria nel sistema, sprecando sostanzialmente parte del volume del serbatoio. Quindi l'equazione del dimensionamento è:
$$V_l = \frac{V_e}{\frac{P_a}{P_i} – \frac{P_a}{P_{max}}}$$Dove, pun = pressione atmosferica
Serbatoio precaricato
Per qualsiasi serbatoio precaricato alla pressione iniziale richiesta, compresi i serbatoi a membrana e a sacca adeguatamente caricati, ma anche i serbatoi chiusi in acciaio semplice se precaricati, PS è uguale a Pio quindi l'equazione di dimensionamento si riduce a:
$$V_t = \frac{V_e}{1 – \frac{P_i}{P_{max}}}$$Si noti che questa equazione si applica solo quando il serbatoio è precaricato alla P richiestaio . I serbatoi vengono caricati in fabbrica con una precarica standard di 12 psig (83 kPag).
Serbatoio chiuso
Per pressioni di precarica desiderate più elevate è possibile effettuare un ordine speciale dalla fabbrica oppure l'appaltatore deve aumentare la pressione con aria compressa o una pompa manuale. Ma non è raro che questo venga trascurato. Questa svista può essere compensata dimensionando il serbatoio utilizzando l'equazione seguente (assumendo la pressione atmosferica al livello del mare):
$$V_t = \frac{V_e}{\frac{26.7}{P_i} – \frac{26.7}{P_{max}}}$$(precarica 12 psig/26,7 psia [83 kPag/184 kPaa]). Ciò aumenterà la dimensione del serbatoio rispetto a un serbatoio correttamente precaricato.
Codice ASME per caldaie e recipienti a pressione-2015, sezione VI
ASME Boiler and Pressure Vessel Code-2015, Sezione VI, include equazioni di dimensionamento (così come UMC e IMC, che estraggono le equazioni parola per parola), come mostrato nell'equazione seguente, con variabili riviste per corrispondere a quelle utilizzate in questo articolo:
$$V_t = \frac{V_s(0.00041T_h – 0.0466)}{\frac{P_a}{P_i} – \frac{P_a}{P_{max}}}$$Confrontando il denominatore di questa equazione con l'equazione per il serbatoio chiuso (senza precarica), questa formula serve chiaramente per dimensionare un serbatoio non precaricato; sovrastimerà le dimensioni di un serbatoio precaricato. Il numeratore è una curva di adattamento di Ve ; presuppone una temperatura minima di 65°F (18°C) ed è accurata solo nell'intervallo compreso tra circa 170°F e 230°F (da 77°C a 110°C) temperatura operativa media. Pertanto, questa equazione non può essere utilizzata per acqua calda a temperatura molto elevata (ad esempio 350°F [177°C]), acqua di condensatore a circuito chiuso o sistemi ad acqua refrigerata..
Autore: Steven T. Taylor, PE
FREQUENTLY ASKED QUESTIONS
Undersizing an expansion tank can lead to several consequences, including increased system pressure, reduced system efficiency, and potential equipment damage. Insufficient tank capacity can cause the system to exceed the pressure rating of equipment and piping components, leading to premature failure or even catastrophic failure. Additionally, undersizing can result in inadequate pressure maintenance, allowing air to enter the system and causing corrosion, erosion, and other issues.
To determine the required expansion tank size, you need to calculate the total volume of the system, including the volume of water in the pipes, radiators, and other components. You should also consider the maximum expected temperature change in the system, as well as the pressure rating of the equipment and piping components. Using formulas such as the one provided in the ASHRAE Handbook or other industry resources, you can calculate the required tank size based on these factors. It’s essential to consult with a qualified engineer or technician to ensure accurate calculations and proper tank sizing.
Open expansion tanks are vented to the atmosphere and are typically used in open systems where the tank is not pressurized. Closed expansion tanks, on the other hand, are pressurized and used in closed systems where the tank is subjected to system pressure. Closed tanks are more common in modern hydronic systems due to their ability to maintain a positive pressure and prevent air from entering the system. Open tanks are often used in older systems or in applications where the system pressure is relatively low. The choice between open and closed tanks depends on the specific system requirements and design.
While standard formulas can provide a good starting point for calculating expansion tank size, there are other factors to consider, such as system complexity, piping layout, and equipment specifications. For example, systems with multiple loops or zones may require larger tanks to accommodate the additional volume changes. Additionally, the type of fluid used in the system, such as water or glycol, can affect the tank sizing calculation. It’s essential to consider these factors and consult with industry resources or a qualified engineer to ensure accurate tank sizing.
Regular inspection and maintenance of the expansion tank are crucial to ensure optimal system performance and prevent potential issues. It’s recommended to inspect the tank at least annually, checking for signs of corrosion, damage, or leakage. Additionally, the tank should be drained and cleaned periodically to remove sediment and debris that can affect its performance. The frequency of maintenance may vary depending on the system design, operating conditions, and local regulations. Consult with a qualified technician or the tank manufacturer’s guidelines for specific maintenance recommendations.
