I serbatoi 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 in sistemi idronici chiusi per (1) accettare variazioni nel volume dell'acqua del sistema quando la densità dell'acqua cambia con la temperatura per mantenere le pressioni del sistema al di sotto dei limiti nominali di pressione dei componenti del sistema di tubazioni e apparecchiature. 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 evitare l'ebollizione, compresa la cavitazione nelle valvole di controllo e costrizioni simili. (4) Mantenere la prevalenza netta di aspirazione positiva richiesta (NPSHR) all'aspirazione delle pompe.
Gli ultimi due punti si applicano generalmente 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 serbatoio
Esistono quattro stili di base di serbatoi di espansione:
Serbatoi in acciaio ventilati o aperti
Poiché sono ventilati, i serbatoi aperti 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 aperto aria/acqua provoca una migrazione costante di aria nel sistema, causando corrosione. Di conseguenza, questo design non viene quasi mai più utilizzato.
Serbatoi d'acciaio chiusi
Chiamati anche serbatoi in acciaio semplice o serbatoi di compressione da alcuni produttori.
Questo è lo stesso tipo di serbatoio del serbatoio ventilato, ma con lo sfiato chiuso. Ciò consente al serbatoio di essere posizionato ovunque nel sistema e di lavorare 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 nell'acqua.
A meno che non sia precaricato alla pressione di esercizio 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 tipicamente fissato al lato del serbatoio vicino al centro e non è sostituibile sul campo; se la membrana si rompe, il serbatoio deve essere sostituito.
Serbatoi vescicali
I serbatoi della vescica utilizzano una vescica simile a un palloncino per accettare l'acqua espansa. Le camere d'aria sono spesso dimensionate per l'intero volume del serbatoio, chiamato camera d'aria "piena accettazione", per evitare danni alla camera d'aria nel caso in cui si inzuppassero d'acqua. 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 assumendo le leggi dei gas perfetti:
`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_(wt)[1-(P_(s)T_(c))/(P_(max)T_(s))]+E_ (t))-0.02V_(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 (precarica), assoluta
Pmax = pressione massima, assoluta
Ew = rapporto di dilatazione unitario dell'acqua nell'impianto dovuto all'innalzamento della temperatura = (νh/νc-1)
vh = il volume specifico di acqua alla massima temperatura, Th.
vc = il volume specifico di acqua alla temperatura minima, Tc .
Ep = rapporto di espansione dell'unità delle tubazioni e di altri componenti del sistema nel sistema a causa dell'aumento della temperatura = 3α(Th-Tc )
α = coefficiente di dilatazione delle tubazioni e di altri componenti del sistema, per grado
Th = temperatura media massima dell'acqua nell'impianto, gradi assoluti
Tc = temperatura media minima dell'acqua nell'impianto, gradi assoluti
TS = temperatura aria iniziale nel serbatoio prima del riempimento, gradi assoluti
Epeso = rapporto di dilatazione unitaria dell'acqua nel serbatoio per aumento di temperatura
Et = rapporto di espansione dell'unità del vaso di espansione per aumento di temperatura
L'ultimo termine (0,02 Vs ) rappresenta l'aria aggiuntiva dal desorbimento dall'aria disciolta nell'acqua. Questa equazione può essere semplificata a Equazione sotto ignorando i termini piccoli e supponendo che la temperatura del serbatoio rimanga vicina alla temperatura di riempimento iniziale (tipicamente un buon presupposto, assumendo che non ci sia isolamento sul serbatoio o tubazioni ad esso, che è una pratica comune e consigliata):
`V_(t)=(V_(s)[((v_(h))/(v_(c))-1)-3alpha(T_(h)-T_(c))])/((P_(s ))/(P_(i))-(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 in alcuni, ma non nella maggior parte, software di selezione dei produttori di serbatoi di espansione. La maggior parte dei produttori ignora prudentemente 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)=(((v_(h))/(v_(c))-1)V_(s))/((P_(s))/(P_(i))-(P_(s) )/(P_(max)))`Il numeratore è il volume dell'acqua espansa, Ve , poiché si riscalda dalle temperature minime a quelle massime, quindi l'equazione può essere scritta:
`V_(t)=(V_(e))/((P_(s))/(P_(i))-(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 dominatore si limita a 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 senza sfiato, la pressione iniziale è tipicamente la pressione atmosferica con il serbatoio vuoto (nessuna precarica). Il serbatoio viene quindi collegato all'acqua di reintegro, che pressurizza il serbatoio alla pressione di riempimento spostando l'aria nel sistema, sprecando essenzialmente parte del volume del serbatoio. Quindi l'equazione di dimensionamento è:
`V_(l)=(V_(e))/((P_(a))/(P_(i))-(P_(a))/(P_(max)))`Dove, pun = pressione atmosferica
Serbatoio precaricato
Per qualsiasi serbatoio precaricato alla pressione iniziale richiesta, compresi i serbatoi a diaframma e a sacca correttamente caricati, ma anche i serbatoi chiusi in acciaio normale se precaricati, PS è uguale a pio quindi l'equazione di dimensionamento si riduce a:
`V_(t)=(V_(e))/(1-(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 a mano. Ma non è raro che questo venga trascurato. Questa svista può essere compensata dimensionando il serbatoio utilizzando l'equazione seguente (assumendo la pressione atmosferica a livello del mare):
`V_(t)=(V_(e))/((26.7)/(P_(i))-(26.7)/(P_(max)))`(12 psig/26,7 psia [83 kPag/184 kPaa] precarica). Ciò aumenterà le dimensioni del serbatoio rispetto a un serbatoio adeguatamente precaricato.
ASME Boiler and Pressure Vessel Code-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 alla lettera), come mostrato in Equazione di seguito, con variabili riviste per corrispondere a quelle utilizzate in questo articolo:
`V_(t)=(V_(s)(0.00041T_(h)-0.0466))/((P_(a))/(P_(i))-(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; sopravvaluterà le dimensioni di un serbatoio precaricato. Il numeratore è un adattamento della curva di Ve ; presuppone una temperatura minima di 65°F (18°C) ed è preciso solo nell'intervallo di circa 170°F a 230°F (da 77°C a 110°C) di temperatura operativa media. Pertanto, questa equazione non può essere utilizzata per acqua calda a temperatura molto elevata (ad es. 177 °C [350 °F]), acqua di condensazione a circuito chiuso o sistemi ad acqua refrigerata.
Autore: Steven T. Taylor, PE
