Dimensionamento de Tanques Hidropneumáticos

Os tanques hidropneumáticos são usados ​​principalmente em um sistema de água doméstico para fins de drenagem quando o sistema de aumento de pressão está desligado no desligamento sem fluxo (NFSD). O circuito NFSD desliga a bomba principal quando não há demanda no sistema. Enquanto o sistema estiver desligado nesta condição, o tanque hidropneumático irá satisfazer pequenas demandas do sistema. Sem o tanque, o booster reiniciaria ao menor pedido de fluxo, como a descarga de um único vaso sanitário ou até mesmo um pequeno vazamento no sistema de tubulação.

O dimensionamento do tanque hidropneumático depende de dois fatores:

1. Período de tempo que você deseja que as bombas permaneçam desligadas em uma situação sem fluxo.
2. A localização do tanque em relação ao pressurizador.

Qualquer edifício terá uma baixa taxa de demanda em vários horários do dia. Torneiras com vazamento ou alguém tomando um copo de água no meio da noite são fatores que impedem que esse período de baixa demanda seja um período sem demanda. Não é sempre que um sistema terá períodos de demanda zero.

O GPM estimado de baixa demanda deve ser multiplicado pelo número mínimo de minutos que você deseja que seu booster permaneça desligado no desligamento sem fluxo para determinar o volume de consumo do tanque. Devido aos atrasos incorporados na maioria dos circuitos de desligamento sem fluxo, três minutos é geralmente o tempo mínimo de desligamento considerado. Normalmente, o tempo máximo é de 30 minutos. Quanto mais tempo a unidade fica desligada, mais energia economizamos, mas maior deve ser o nosso tanque. Portanto, deve ser feito um compromisso entre o tamanho do tanque e o tempo mínimo de desligamento.

CÁLCULO DE DESENVOLVIMENTO DO TANQUE

O tamanho do tanque não é igual à quantidade de água que pode realmente ser retirada do tanque. O volume utilizável do tanque depende da pressão normal do sistema, da pressão mínima permitida do sistema e do coeficiente de rebaixamento do tanque. Este coeficiente de rebaixamento pode ser obtido a partir dos dados publicados pelo fabricante do tanque.

COLOCAÇÃO DO TANQUE HIDROPNEUMÁTICO

Existem vários locais onde um tanque hidropneumático pode ser conectado ao sistema. O ponto de conexão mais comum é o coletor de descarga do conjunto auxiliar. Alguns tanques são conectados logo após a descarga da bomba, mas antes do PRV. Outro local bastante comum é mais distante no sistema, geralmente no telhado do edifício. Existem prós e contras em cada local.

Localizar o tanque próximo ao topo do sistema, conforme mostrado na Figura 1, geralmente resulta no menor tanque. Também elimina preocupações com altas pressões de trabalho que podem ocorrer na parte inferior de um sistema de vários andares. Esta é normalmente a melhor localização geral para o tanque. No entanto, nem todos os edifícios têm espaço para um tanque nos pisos superiores e deve ter a certeza de ter um meio de transportar o tanque através do edifício.

O tanque também pode estar localizado na descarga do conjunto de reforço de pressão, conforme mostrado na Figura 2. Na maioria dos edifícios é consideravelmente mais fácil instalar um tanque na sala de equipamentos do que num piso superior, o que torna este local o mais comum. Ao localizar um tanque na parte inferior do sistema, é importante certificar-se de que a altura estática do edifício mais a pressão de descarga do pacote não exceda a pressão máxima de trabalho permitida do tanque.

Para uma pressão final ainda maior, o tanque pode ser conectado antes da bomba principal PRV (Figura 3). Este é um ponto de pressão mais elevado porque o TDH da bomba e a pressão de sucção ainda não foram reduzidos pelo PRV. Isto novamente nos ajuda a reduzir o tamanho do tanque. Se esta abordagem for adotada, o tanque deverá estar sempre conectado à descarga da bomba de comando.

Se o seu booster estiver equipado com alternância de bombas e a bomba do tanque for movida para a 2ª ou 3ª em sequência, o tanque não carregará. Um tanque descarregado não pode fornecer qualquer volume de drenagem, portanto não terá utilidade durante uma condição de desligamento de baixo fluxo. Como este local terá pressões mais altas do que qualquer um dos dois primeiros exemplos, é particularmente importante certificar-se de não exceder a pressão máxima de trabalho do tanque.

DIMENSIONAMENTO DO TANQUE HIDROPNEUMÁTICO

Primeiro devemos determinar o volume de aceitação do tanque. Consulte a Tabela abaixo para obter um guia dos volumes típicos de aceitação para diversas instalações. Esses números são estimativas baseadas no tempo de desligamento de 30 minutos e devem ser visualizados de acordo.

Use esta tabela apenas para fins de estimativa. A determinação final do volume de aceitação é de responsabilidade do engenheiro projetista. Lembre-se de consultar os códigos locais!

O tempo de desligamento de trinta minutos pode ser ajustado para diferentes horários usando a seguinte fórmula:

VOLUME DE ACEITAÇÃO (da Tabela) X TEMPO DE DESLIGAMENTO DESEJADO / 30 MINUTOS = VOLUME DE ACEITAÇÃO AJUSTADO

Depois de determinarmos o volume de aceitação necessário, podemos calcular o tamanho do tanque com base nas capacidades de redução. Consulte o seu fornecedor de tanques hidropneumáticos para obter informações sobre o volume de retirada de seus tanques. Uma folha de dados típica é mostrada na Figura 5. Como os tanques de diferentes fabricantes têm diferentes capacidades de extração, é imperativo que você use os dados fornecidos pelo fabricante cujo tanque você planeja usar.

O valor na intersecção da pressão inicial e da pressão final é o seu coeficiente de redução. Divida o seu volume de aceitação por este coeficiente para obter o volume total do tanque.

EXEMPLO #1: TANQUE NO TELHADO

Temos um amplificador de pressão dimensionado para 500 GPM com pressão de descarga de 75 PSIG e pressão de sucção mínima de 40 PSIG disponível na cidade. O tanque ficará localizado na cobertura de um prédio de 5 andares. Calcule o tamanho do tanque necessário para um desligamento de 15 minutos durante condições de baixo fluxo e uma pressão de reforço de 65 PSIG:

• Na tabela acima, podemos ver que um booster dimensionado para 500 GPM em um prédio de apartamentos para ficar desligado por 30 minutos em fluxo baixo, é necessário um volume de aceitação de 75 galões. No entanto, como só precisamos que nosso booster fique desligado por 15 minutos, devemos ajustar esse volume de aceitação de acordo 75 x 15/30 = 37,5.

Portanto, nosso volume de aceitação será de 37,5 galões.

• Nossa pressão inicial é igual à pressão no ponto de conexão do tanque na pressão de corte do booster. Este valor é igual à pressão de ativação menos a elevação estática do tanque acima da descarga do conjunto auxiliar. Devemos também levar em conta a perda por atrito na tubulação entre a descarga do pacote e o ponto de conexão do tanque. Neste caso, calculamos uma perda por atrito de 10 pés ou 4,73 PSIG. O tanque está localizado aproximadamente 70 pés acima do booster, o que equivale a 30,3 PSIG.

65 PSIG (CUT IN) – 4,73 PSIG (PERDA DE FRICÇÃO NO FLUXO DE PROJETO) – 30,3 PSIG (ALTURA ESTÁTICA) = 30 PSIG

• A pressão final é igual à pressão no ponto de conexão do tanque quando o sistema está totalmente pressurizado.

75 PSIG (PRESSÃO DO SISTEMA) – 4,73 PSIG (PERDA DE FRICÇÃO NO FLUXO DE PROJETO) – 30,3 PSIG (ALTURA ESTÁTICA) = 40 PSIG

• Usando a Figura 5, podemos determinar que nosso coeficiente de redução é 0,183.
• Divida o volume de aceitação pelo coeficiente de redução para obter o volume total do tanque que nos dará 75 GPM durante o desligamento de baixo fluxo.

37,5 GPM / 0,183 = 205

Portanto, precisamos de um volume mínimo de tanque de 205 galões para atender aos nossos requisitos de desligamento.

EXEMPLO #2: TANQUE NA DESCARGA DO PACOTE BOOSTER

Temos novamente um amplificador de pressão dimensionado para 500 GPM com pressão de descarga de 75 PSIG e pressão de sucção mínima de 40 PSIG disponível na cidade. Agora, o tanque ficará localizado no subsolo de um prédio de 5 andares e será conectado ao coletor de descarga do pacote. Calcule o tamanho do tanque necessário para um desligamento de 15 minutos durante condições de baixo fluxo e uma pressão de reforço de 65 PSIG:

• Na tabela acima, podemos ver que para um booster dimensionado para 500 GPM em um prédio de apartamentos ficar desligado por 30 minutos em fluxo baixo, é necessário um volume de aceitação de 75 galões. No entanto, como só precisamos que nosso booster fique desligado por 15 minutos, devemos ajustar esse volume de aceitação de acordo 75 x 15/30 = 37,5.

Portanto, nosso volume de aceitação será de 37,5 galões.

• Nossa pressão inicial é igual à pressão de ativação menos a altura estática e as perdas na tubulação do tanque. Contudo, como o tanque está localizado na descarga da embalagem, a altura estática e as perdas por atrito são insignificantes. Portanto, podemos concluir que a pressão inicial é na verdade igual à pressão de ativação.

PRESSÃO INICIAL = PRESSÃO DE LIGAÇÃO = 65 PSIG.

• Da mesma forma, a insignificância da altura estática e das perdas por atrito também se aplica ao nosso cálculo da pressão final. Podemos concluir que a pressão final é igual à pressão no ponto de conexão do tanque quando o sistema está totalmente pressurizado.

PRESSÃO FINAL = PRESSÃO DO SISTEMA = 75 PSIG

• Usando a Figura 5, podemos determinar que nosso coeficiente de redução é 0,111.

• Divida o volume de aceitação pelo coeficiente de redução para obter o volume total do tanque que nos dará 75 GPM durante o desligamento de baixo fluxo.

37,5 GPM / 0,111 = 340

Portanto, precisamos de um volume mínimo de tanque de 340 galões para atender aos nossos requisitos de desligamento.

EXEMPLO #3: CONEXÃO DO TANQUE ENTRE DESCARGA DA BOMBA E PRV

Usando o mesmo amplificador de pressão dos dois exemplos anteriores, dimensionado para 500 GPM a uma pressão de descarga de 75 PSIG com uma pressão de sucção mínima de 40 PSIG disponível na cidade. O tanque estará localizado no porão como no exemplo #2, mas será conectado antes da válvula redutora de pressão. Calcule o tamanho do tanque necessário para um desligamento de 15 minutos durante condições de baixo fluxo e uma pressão de reforço de 65 PSIG:

• Na tabela acima, podemos ver que um booster dimensionado para 500 GPM em um prédio de apartamentos para ficar desligado por 30 minutos em fluxo baixo, é necessário um volume de aceitação de 75 galões. No entanto, como só precisamos que o nosso booster fique desligado por 15 minutos, devemos ajustar esse volume de aceitação de acordo.

75 x 15/30 = 37,5

Portanto, nosso volume de aceitação será de 37,5 galões.

• Nossa pressão inicial ainda será igual à pressão de ativação como no Exemplo 2. Não precisamos nos preocupar com altura estática e perda por atrito, pois o tanque estará localizado adjacente às bombas. Portanto, nossa pressão inicial será igual à pressão de ativação.

PRESSÃO INICIAL = PRESSÃO DE LIGAÇÃO = 65 PSIG.

A pressão final será significativamente maior do que no exemplo 2 porque nosso tanque está conectado ao sistema antes da válvula redutora de pressão. Portanto, na verdade temos a bomba TDH com vazão mínima mais pressão de sucção mínima. Se nossa bomba tiver uma curva de vazão versus altura manométrica conforme mostrado abaixo na Figura 4, a pressão final será 155. (TDH @) 0 GPM) mais pressão de sucção mínima de 40 PSIG. Portanto, a nossa pressão final pode ser calculada somando estes valores.

67 PSIG (BOMBA TDH @ 0 GPM) + 40 PSIG (PRESSÃO MÍN. DE SUCÇÃO) = 107 PSIG

• Usando a Figura 5, podemos determinar que nosso coeficiente de redução é 0,335
• Divida o volume de aceitação pelo coeficiente de redução para obter o volume total do tanque que nos dará 75 GPM durante o desligamento de baixo fluxo.

37,5 GPM / 0,335 = 1 12

Portanto, precisamos de um volume mínimo de tanque de 112 galões para atender aos nossos requisitos de desligamento.

CARREGAMENTO DE TANQUE HIDROPNEUMÁTICO

A maioria dos tanques hidropneumáticos são enviados do fabricante pré-carregados a uma pressão que geralmente está bem abaixo da necessidade real de carga do sistema. Em outras palavras, o volume de ar no tanque é muito pequeno quando o tanque é instalado no sistema. O ciclo curto das bombas, o consumo é limitado e, em alguns casos, a situação é tão grave que o tanque pode ser removido do sistema e ninguém saberia a diferença. Então, se vamos gastar o dinheiro em um tanque, vamos garantir que ele funcione cobrando-o corretamente.

A pressão correta de pré-carga do tanque depende dos seguintes fatores:

1. Pressão mínima permitida do sistema
2. Elevação do tanque em relação ao conjunto de reforço de pressão
3. Ponto de conexão do tanque no sistema

Definiremos essas variáveis ​​da seguinte forma para nosso cálculo de pré-cobrança:

• Seja D = pressão desejada do sistema em PSIG (configuração PRV)
• Seja M = Depressão de pressão máxima permitida abaixo da configuração PRV (D)
• Seja H = elevação do tanque acima do amplificador de pressão em PSIG (PSIG = Pés / 2,31)
• Seja P = pressão de pré-carga do tanque (tanque vazio) em PSIG

Também estimaremos uma queda de pressão de 1 PSIG através do PRV em vazões muito baixas encontradas durante um período de baixa demanda.

Se o tanque estiver localizado acima do amplificador de pressão conforme mostrado na Figura 1, a pré-carga é calculada da seguinte forma:

P = D – M – H – 1

Os tanques localizados aproximadamente nivelados ao booster e conectados ao sistema a jusante do PRV (Figura 2) têm a seguinte pressão de pré-carga:

P = D – M – 1

Se o tanque estiver aproximadamente nivelado com o booster, mas conectado ao sistema antes do PRV (Figura 3), não será necessário subtrair a queda de 1 PSIG na válvula. Portanto, o cálculo é o seguinte:

P = D - M

Para confirmar a pressão de pré-carga de um tanque existente, o tanque deve ser isolado do sistema de bombeamento/tubulação. Em seguida, o lado da água do tanque é drenado e a pressão do ar é lida com um manômetro na válvula de carga de ar. Esta leitura é a pressão de pré-carga.

Simplesmente dedicando um pouco mais de tempo para garantir que nosso tanque esteja pré-carregado corretamente, podemos ter certeza de que ele cumprirá seu propósito de manter as bombas desligadas durante períodos de baixa demanda.

EXEMPLO DE PRÉ-CARGA

Vamos dar uma olhada no tanque superior descrito na Figura 1. Sabemos que a pressão de pré-carga correta é definida como:

P = D – M – H – 1

Sabemos que:

• D = 75
• M = pressão do sistema – pressão de ativação = 75 – 65 = 10
• H = 70 / 2,31 = 30,3

Portanto, nossa pressão de pré-carga correta é:

75 – 10 – 30,3 – 1 = 33,7 PSIG

Para garantir a operação correta do tanque durante a sequência de desligamento de baixo fluxo do booster, ele deve ser pré-carregado a 33,7 PSIG.

RESUMO DO TANQUE HIDROPNEUMÁTICO

Como você pode ver, existem poucas regras rígidas e rápidas para o dimensionamento de tanques. Trata-se predominantemente de uma questão de ponderar vários factores e de comprometer o equilíbrio entre o custo inicial e as potenciais poupanças de energia. Localizar a conexão do tanque antes da válvula redutora de pressão resulta no tanque menor, mas exige que sua respectiva bomba seja sempre a bomba principal.

Uma conexão de tanque no coletor de descarga resulta em um tanque maior, mas permite alternar todas as bombas. Um tanque montado no teto parece um compromisso bastante razoável, mas você deve considerar as complicações de transportar o tanque até o telhado. Concluindo, a localização do tanque tem um impacto significativo no tamanho do tanque e deve ser abordada projeto por projeto.

a pressão inicial do tanque é igual à pressão mínima permitida do sistema (no ponto do tanque) onde o sistema de reforço voltará a funcionar.

A pressão final do tanque é igual à pressão máxima de descarga do sistema (no ponto do tanque) ou à configuração da válvula redutora de pressão se o tanque estiver montado no sistema de pressurização.

Os galões utilizáveis ​​reais podem variar ± 10%.

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Empresa Xylem

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