Quando l'acqua viene riscaldata, si espande. Se questa espansione si verifica in un sistema chiuso, è possibile creare pericolose pressioni sull'acqua. Un sistema di acqua calda domestica può essere un sistema chiuso quando gli apparecchi di acqua calda sono chiusi e le tubazioni dell'approvvigionamento di acqua fredda hanno preventivi di riflusso o qualsiasi altro dispositivo che può isolare il sistema di acqua calda domestica dal resto dell'approvvigionamento idrico domestico.
Queste pressioni possono rapidamente salire a un punto in cui la valvola di rilievo sul scaldabagno non si inserisce, alleviando così la pressione, ma allo stesso tempo compromettendo l'integrità della valvola di soccorso.
Una valvola di sicurezza installata su uno scaldabagno non è una valvola di controllo, ma una valvola di sicurezza. Non è progettato o destinato all'uso continuo. Le ripetute pressioni eccessive possono portare ad attrezzature e guasti al tubo e lesioni personali.
Se dimensioni adeguate, un serbatoio di espansione collegato al sistema chiuso fornisce un volume di sistema aggiuntivo per l'espansione dell'acqua garantendo al contempo una pressione massima desiderata in un sistema di acqua calda domestica. Lo fa utilizzando un cuscino pressurizzato d'aria (figura sotto). La discussione seguente spiega come dimensionare un serbatoio di espansione per un sistema di acqua calda domestica e la teoria alla base del design e dei calcoli. Si basa sull'uso di un serbatoio di espansione del diaframma o della vescica, che è il tipo più comunemente usato nel settore idraulico. Questo tipo di serbatoio di espansione non consente all'acqua e all'aria di essere in contatto tra loro.
Espansione dell'acqua
Una libbra di acqua a 140 ° F ha un volume maggiore della stessa libbra di acqua a 40 ° F. Per dirla in altro modo, il volume specifico dell'acqua aumenta con un aumento della temperatura.
Se è noto il volume di acqua in una condizione di temperatura specifica, l'espansione dell'acqua può essere calcolata come segue:
Dove:
- Vew = espansione di acqua, galloni
- Vs1 = Volume del sistema di acqua a temperatura 1, galloni
- Vs2 = Volume del sistema di acqua a temperatura 2, galloni
| Temp., ∘ F | Volume specifico, ft3/libbre |
| 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 |
Vs1 è il volume iniziale del sistema e può essere determinato calcolando il volume del sistema di acqua calda domestica. Ciò comporta l'aggiunta del volume dell'attrezzatura da riscaldamento dell'acqua al volume delle tubazioni e qualsiasi altra parte del sistema di acqua calda.
Vs2 è il volume di acqua espanso alla temperatura dell'acqua calda del design. Vs2 può essere espresso in termini di vs1. Per fare ciò, guarda il peso dell'acqua in entrambe le condizioni.
Il peso (W) di acqua alla temperatura 1 (T1) è uguale al peso dell'acqua a t2, o W1 = W2. A t1, W1 = Vs1/vsp1, e analogamente a T2, W2 = Vs2/vsp2, dove VSP è uguale al volume specifico dell'acqua alle due condizioni di temperatura. (Vedere la tabella sopra per dati di volume specifici.)
Da quando W1 = W2, poi:
Risolvere per Vs2:
Esempio 1:
Un sistema di acqua calda domestica ha 1.000 litri d'acqua. Quanto si espanderanno i 1.000 galloni da una temperatura di 40 ° F a una temperatura di 140 ° F?
Dalla tabella sopra, vsp1 = 0,01602 (a 40°F) e vsp2 = 0,01629 (a 140 ° F). Utilizzo dell'equazione:
Si noti che questa è la quantità di espansione dell'acqua e non dovrebbe essere confusa con le dimensioni del serbatoio di espansione necessaria.
Espansione del materiale
Il serbatoio di espansione riceverà tutta l'espansione dell'acqua?
La risposta è no, perché non solo l'acqua si sta espandendo. Le apparecchiature per tubazioni e riscaldamento dell'acqua si espandono anche con un aumento della temperatura. Qualsiasi espansione di questi materiali comporta una minore espansione dell'acqua ricevuta dal serbatoio di espansione. Un altro modo di guardarlo è il seguente:
Venet = Vew – Vemat
- veneto = Espansione netta dell'acqua ricevuta dal serbatoio di espansione, galloni
- Vew = Espansione dell'acqua, litri
- Vemat = Espansione del materiale, galloni
Per determinare la quantità di espansione che ogni materiale sperimenta per un certo cambiamento di temperatura, guarda il coefficiente di espansione lineare per quel materiale.
Per il rame, il coefficiente di espansione lineare è 9,5 × 10–6 pollice/pollice/° F e per l'acciaio è 6,5 × 10–6 pollici/pollici/°F.
Dal coefficiente di espansione lineare, è possibile determinare il coefficiente di espansione volumetrica di un materiale. Il coefficiente di espansione volumetrica è tre volte il coefficiente di espansione lineare:
ß=3α
ß = coefficiente volumetrico di espansione
α = coefficiente lineare di espansione
Pertanto, il coefficiente volumetrico per il rame è 28,5 × 10–6 Gallone/gallone/° F e per l'acciaio è 19,5 × 10–6 gallone/gallone/° f. Il materiale si espanderà proporzionalmente con un aumento della temperatura.
Vemat = Vmat × ß (T2 – T1)
Venet = Vew – [Vmat1×ß1 (T2 - T1)+Vmat2×ß2 (T2 - T1)]
Volume nominale delle tubazioni
| Volume di tubo, gal/ft lineare di tubo | |
| Dimensione del tubo, in. | 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 |
Esempio 2:
Un sistema di acqua calda domestica ha uno scaldabagno in acciaio con un volume di 900 galloni. Ha 100 piedi di tubazioni da 4 pollici, 100 piedi di tubazioni da 2 pollici, 100 piedi di tubazioni da 1½ pollici e 300 piedi di tubazioni da ½ pollice. Tutte le tubazioni sono rame. Supponendo che la temperatura iniziale dell'acqua sia di 40 ° F e che la temperatura finale dell'acqua sia di 140 ° F, (1) Quanto si espanderà ogni materiale, e (2) Qual è l'espansione netta dell'acqua che vedrà un serbatoio di espansione?
Utilizzo dell'equazione Vemat Per l'acciaio (materiale n. 1), VMAT1 = 900 galloni e Vemat1 = 900 (19,5 × 10–6) (140 - 40) = 1,8 galloni. Per il rame (materiale n. 2), prima guarda la tabella sopra per determinare il volume di ogni dimensione del tubo:
- 4 pollici = 100 x 0,67 = 67 galloni
- 2 pollici = 100 x 0,17 = 17 galloni
- 1½ pollici = 100 x 0,10 = 10 galloni
- ½ pollice = 300 x 0,02 = 6 galloni
Volume totale di tubazioni di rame = 100 galloni che utilizzano l'equazione Vemat per il rame, Vmat2 = 100 galloni e Vemat2 = 100 (28,5 × 10–6) (140 - 40) = 0,3 galloni.
Il volume iniziale del sistema di acqua (Vs1) è uguale a Vmat1 + Vmat2o 900 galloni + 100 galloni. Da Ultimo esempio, 1.000 litri d'acqua che vanno da 40 ° F a 140 ° F espande 16,9 galloni. Pertanto, utilizzando l'equazione veneto, Venet = 16,9 - (1,8 + 0,03) = 15 galloni. Questa è la quantità netta di espansione dell'acqua che vedrà il serbatoio di espansione. Ancora una volta, si noti che questa non è la dimensione del serbatoio di espansione necessario.
Legge di Boyle
Dopo aver determinato quanta espansione dell'acqua vedrà il serbatoio di espansione, è tempo di esaminare come il cuscino dell'aria in un serbatoio di espansione consente al progettista di limitare la pressione del sistema.
La legge di Boyle afferma che a una temperatura costante, il volume occupato da un determinato peso di gas perfetto (incluso per scopi pratici aria atmosferica) varia inversamente come pressione assoluta (pressione di calibro + pressione atmosferica). È espresso da quanto segue:
P1V1 = p2V2
dove
- P1 = Pressione dell'aria iniziale, libbre per pollice quadrato assoluto (psia)
- V1 = Volume iniziale di aria, galloni
- P2 =Pressione finale dell'aria, psia
- V2 =Volume finale di aria, galloni
In che modo questa legge si riferisce al dimensionamento dei serbatoi di espansione nei sistemi di acqua calda domestica?
Il cuscino d'aria nel serbatoio di espansione offre uno spazio in cui può andare l'acqua espansa. Il volume d'aria nel serbatoio diminuisce mentre l'acqua si espande ed entra nel serbatoio. Man mano che il volume dell'aria diminuisce, la pressione dell'aria aumenta.
Utilizzando la legge di Boyle, il volume iniziale dell'aria (cioè le dimensioni del serbatoio di espansione) deve essere basato su:
- Pressione iniziale dell'acqua,
- Desiderata pressione massima dell'acqua e
- Change in the initial volume of the air.
To utilize the above equation, realize that the pressure of the air equals the pressure of the water at each condition, and make the assumption that the temperature of the air remains constant at condition 1 and condition 2 in Figure above.
This assumption is reasonably accurate if the expansion tank is installed on the cold water side of the water heater. Remember, in sizing an expansion tank, the designer is sizing a tank of air, not a tank of water.
Referring to Figure above, at condition 1 the tank’s initial air pressure charge, P1, equals the incoming water pressure on the other side of the diaphragm. The initial volume of air in the tank, V1, is also the size of the expansion tank. The final volume of air in the tank, V2, also can be expressed as V1 less the net expansion of water (Venet).
The pressure of the air at condition 2, P2, is the same pressure as the maximum desired pressure of the domestic hot water system at the final temperature, T2. P2 should always be less than the relief valve setting on the water heater.
Utilizing Boyle’s law:
- V1 = Size of expansion tank required to maintain the desired system pressure, P2, gallons
- Venet= Net expansion of water, gallons P1 = Incoming water pressure, psia (Note: Absolute pressure is gauge pressure plus atmospheric pressure, or 50 psig = 64.7 psia.)
- P2 = Maximum desired pressure of water, psia
Example 3:
Looking again at the domestic hot water system described in esempio 2, se la pressione dell'approvvigionamento dell'acqua fredda è di 50 psig e la pressione dell'acqua massima desiderata è di 110 psig, che dimensione è richiesto il serbatoio di espansione?
esempio 2 ha determinato che Venet è uguale a 15 galloni. Convertire le pressioni fornite in equazioni assolute e utilizzate sopra descritte, la dimensione del serbatoio di espansione necessario può essere determinata come:
Nota: quando si seleziona il serbatoio di espansione, assicurarsi che il diaframma o la vescica del serbatoio possano accettare 15 litri d'acqua (Venet).
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