When water is heated, it expands. If this expansion occurs in a closed system, dangerous water pressures can be created. A domestic hot water system can be a closed system when the hot water fixtures are closed and the cold water supply piping has backflow preventers or any other device that can isolate the domestic hot water system from the rest of the domestic water supply.
Queste pressioni possono salire rapidamente fino al punto in cui la valvola di sfioro sullo scaldabagno si sposta, alleviando così la pressione, ma allo stesso tempo compromettendo l'integrità della valvola di sfiato.
Una valvola di sicurezza installata su uno scaldabagno non è una valvola di controllo, ma una valvola di sicurezza. Non è progettato o inteso per un uso continuo. Pressioni eccessive ripetute possono causare guasti alle apparecchiature e alle tubazioni e lesioni personali.
Se opportunamente dimensionato, un vaso di espansione collegato al sistema chiuso fornisce un volume di sistema aggiuntivo per l'espansione dell'acqua, garantendo al tempo stesso la massima pressione desiderata in un sistema di acqua calda sanitaria. Lo fa utilizzando un cuscino d'aria pressurizzato (figura sotto). La seguente discussione spiega come dimensionare un vaso di espansione per un sistema di acqua calda sanitaria e la teoria alla base della progettazione e dei calcoli. Si basa sull'utilizzo di un vaso di espansione a membrana oa sacca, che è il tipo più comunemente utilizzato nell'industria idraulica. Questo tipo di vaso di espansione non permette all'acqua e all'aria di entrare in contatto tra loro.
Espansione dell'acqua
Una libbra d'acqua a 140°F ha un volume maggiore della stessa libbra d'acqua a 40°F. In altre parole, il volume specifico dell'acqua aumenta con l'aumentare della temperatura.
Se è noto il volume dell'acqua a una specifica condizione di temperatura, l'espansione dell'acqua può essere calcolata come segue:
Dove:
- Vew = Espansione dell'acqua, galloni
- Vs1 = Volume d'acqua del sistema alla temperatura 1, galloni
- Vs2 = Volume d'acqua del sistema 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 dell'impianto e può essere determinato calcolando il volume dell'impianto di acqua calda sanitaria. Ciò comporta l'aggiunta del volume dell'impianto di riscaldamento dell'acqua al volume delle tubazioni e di qualsiasi altra parte dell'impianto di acqua calda.
Vs2 è il volume d'acqua espanso del sistema alla temperatura dell'acqua calda di progetto. vs2 può essere espresso in termini di Vs1. Per farlo, guarda il peso dell'acqua in entrambe le condizioni.
Il peso (W) di acqua a temperatura 1 (T1) è uguale al peso dell'acqua in T2, o W1 = W2. A t1, W1 = Vs1/vsp1, e similmente a T2, W2 = Vs2/vsp2, dove vsp è uguale al volume specifico di 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 sanitaria 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). Utilizzando l'equazione:
Si noti che questa è la quantità di espansione dell'acqua e non deve essere confusa con la dimensione del serbatoio di espansione necessario.
Espansione del materiale
Il vaso di espansione riceverà tutta l'espansione dell'acqua?
La risposta è no, perché non solo l'acqua si sta espandendo. Anche le tubazioni e le apparecchiature per il riscaldamento dell'acqua si espandono con l'aumentare della temperatura. Qualsiasi espansione di questi materiali comporta una minore espansione dell'acqua che viene ricevuta dal serbatoio di espansione. Un altro modo di vederlo è il seguente:
Venet = Vew – Vemat
- veneto = Espansione netta dell'acqua ricevuta dal vaso di espansione, litri
- Vew = Espansione dell'acqua, galloni
- Vemat = Espansione di materiale, galloni
Per determinare la quantità di espansione che ogni materiale sperimenta per un certo cambiamento di temperatura, guarda il coefficiente di dilatazione lineare per quel materiale.
Per il rame, il coefficiente di dilatazione lineare è 9,5 × 10–6 pollici/pollici/°F, mentre per l'acciaio è 6,5 × 10–6 pollici/pollici/°F.
Dal coefficiente di dilatazione lineare si può determinare il coefficiente di dilatazione volumetrica di un materiale. Il coefficiente di espansione volumetrica è tre volte il coefficiente di espansione lineare:
ß=3α
ß = Coefficiente volumetrico di dilatazione
α = Coefficiente di dilatazione lineare
Pertanto, il coefficiente volumetrico per il rame è 28,5 × 10–6 gallone/gallone/°F, mentre per l'acciaio è 19,5 × 10–6 gallone/gallone/°F. Il materiale si espanderà proporzionalmente all'aumentare della temperatura.
Vemat = Vmat × ß (T2 – T1)
Venet = Vew – [Vmat1×ß1 (T2 - T1)+Vmat2×ß2 (T2 - T1)]
Volume nominale delle tubazioni
| Volume del tubo, gal/piedi lineari del tubo | |
| Dimensioni del tubo, pollici | 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 sanitaria 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 pollice e 300 piedi di tubazioni da ½ pollice. Tutte le tubazioni sono in rame. Supponendo che la temperatura iniziale dell'acqua sia 40°F e la temperatura finale dell'acqua sia 140°F, (1) quanto si espanderà ciascun materiale, e (2) qual è l'espansione netta dell'acqua che vedrà un vaso 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), guarda prima la tabella sopra per determinare il volume di ciascuna 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 delle tubazioni in rame = 100 galloni Utilizzando l'equazione Vemat per rame, Vmat2 = 100 galloni e Vemat2 = 100 (28,5 × 10–6)(140 – 40) = 0,3 galloni.
Il volume d'acqua del sistema iniziale (Vs1) è uguale a Vmat1 + Vmat2, o 900 galloni + 100 galloni. A partire dal Ultimo esempio, 1.000 litri d'acqua passando da 40°F a 140°F si espandono di 16,9 litri. Pertanto, utilizzando Equation veneto, Venet = 16,9 – (1,8 + 0,03) = 15 galloni. Questa è la quantità netta di espansione dell'acqua che vedrà il vaso di espansione. Ancora una volta, si noti che questa non è la dimensione del vaso di espansione necessario.
Legge di Boyle
Dopo aver determinato quanta espansione dell'acqua vedrà il vaso di espansione, è il momento di esaminare come il cuscino d'aria in un vaso di espansione consente al progettista di limitare la pressione del sistema.
La legge di Boyle afferma che a temperatura costante, il volume occupato da un dato peso di gas perfetto (inclusa ai fini pratici l'aria atmosferica) varia inversamente alla pressione assoluta (pressione relativa + pressione atmosferica). Si esprime come segue:
P1V1 = p2V2
dove
- P1 =Pressione iniziale dell'aria, libbre per pollice quadrato assoluto (psia)
- V1 = Volume iniziale di aria, galloni
- P2 =Pressione dell'aria finale, psia
- V2 =Volume d'aria finale, galloni
Come si relaziona questa normativa al dimensionamento dei vasi di espansione negli impianti di acqua calda sanitaria?
Il cuscino d'aria nel vaso di espansione fornisce uno spazio in cui può entrare l'acqua espansa. Il volume d'aria nel serbatoio diminuisce man mano che l'acqua si espande ed entra nel serbatoio. Quando il volume d'aria diminuisce, la pressione dell'aria aumenta.
Utilizzando la legge di Boyle, il volume d'aria iniziale (cioè la dimensione del vaso di espansione) deve essere basato su:
- Pressione iniziale dell'acqua,
- Pressione massima dell'acqua desiderata, e
- Variazione del volume iniziale dell'aria.
Per utilizzare l'equazione di cui sopra, renditi conto che la pressione dell'aria è uguale alla pressione dell'acqua in ogni condizione e supponi che la temperatura dell'aria rimanga costante alla condizione 1 e alla condizione 2 nella figura sopra.
Questa ipotesi è ragionevolmente corretta se il vaso di espansione è installato sul lato dell'acqua fredda dello scaldabagno. Ricorda, nel dimensionare un vaso di espansione, il progettista dimensiona un serbatoio d'aria, non un serbatoio d'acqua.
Facendo riferimento alla figura sopra, alla condizione 1 la carica di pressione dell'aria iniziale del serbatoio, P1, è uguale alla pressione dell'acqua in entrata sull'altro lato del diaframma. Il volume iniziale di aria nel serbatoio, V1, è anche la dimensione del vaso di espansione. Il volume finale di aria nel serbatoio, V2, può anche essere espresso come V1 meno l'espansione netta dell'acqua (Venet).
La pressione dell'aria alla condizione 2, P2, è la stessa pressione della pressione massima desiderata dell'impianto di acqua calda sanitaria alla temperatura finale, T2. P2 deve essere sempre inferiore all'impostazione della valvola di sicurezza sullo scaldabagno.
Utilizzando la legge di Boyle:
- V1 = Dimensione del vaso di espansione necessaria per mantenere la pressione del sistema desiderata, P2, galloni
- Venet= Espansione netta dell'acqua, galloni P1 = Pressione dell'acqua in entrata, psia (Nota: la pressione assoluta è la pressione relativa più la pressione atmosferica o 50 psig = 64,7 psia.)
- P2 = Pressione massima desiderata dell'acqua, psia
Esempio 3:
Esaminando nuovamente il sistema di acqua calda sanitaria descritto in esempio 2, se la pressione di alimentazione dell'acqua fredda è di 50 psig e la pressione dell'acqua massima desiderata è di 110 psig, quale dimensione del vaso di espansione è richiesta?
esempio 2 determinato che Venet equivale a 15 galloni. Convertendo le pressioni date in assolute e utilizzando le equazioni sopra descritte, la dimensione del vaso di espansione necessaria può essere determinata come:
Nota: quando si seleziona il vaso di espansione, assicurarsi che il diaframma o la camera d'aria del serbatoio possano accettare 15 litri d'acqua (Venet).
