Os tanques de expansão são uma parte necessária de todos os sistemas hidrônicos fechados para controlar a pressão mínima e máxima em todo o sistema. Os tanques de expansão são fornecidos em sistemas hidrônicos fechados para (1) aceitar mudanças no volume de água do sistema conforme a densidade da água muda com a temperatura para manter as pressões do sistema abaixo dos limites de classificação de pressão dos componentes do sistema de tubulação e equipamentos. Além disso, (2) mantenha uma pressão manométrica positiva em todas as partes do sistema para evitar que o ar vaze para dentro do sistema. (3) Manter pressões suficientes em todas as partes do sistema para evitar a ebulição, incluindo cavitação nas válvulas de controle e constrições semelhantes. (4) Manter a altura líquida de sucção positiva necessária (NPSHR) na sucção das bombas.
Os dois últimos pontos geralmente se aplicam apenas a sistemas de água quente de alta temperatura (mais de aproximadamente 210°F [99°C]). Para a maioria das aplicações HVAC, apenas os dois primeiros pontos precisam ser considerados.
Estilos de tanque
Existem quatro estilos básicos de tanques de expansão:
Tanques de aço ventilados ou abertos
Por serem ventilados, os tanques abertos devem estar localizados no ponto mais alto do sistema. A temperatura da água não pode estar acima de 100°C (212°F), e o contato ar/água resulta em uma migração constante de ar para dentro do sistema, causando corrosão. Conseqüentemente, esse design quase nunca é mais usado.
Tanques de aço fechados
Também chamados de tanques de aço simples ou tanques de compressão por alguns fabricantes.
Este é o mesmo estilo de tanque do tanque ventilado, mas com o respiradouro tampado. Isso permite que o tanque esteja localizado em qualquer lugar do sistema e trabalhe com temperaturas mais altas. Mas eles ainda têm o contato ar/água que permite a corrosão e, às vezes, uma perda gradual de ar do tanque à medida que é absorvido pela água.
A menos que seja pré-carregado à pressão operacional mínima antes da conexão ao sistema, esse tipo de tanque também deve ser maior do que os tanques pré-carregados. Conseqüentemente, esse design também quase nunca é mais usado.
Tanques de diafragma
Este foi o primeiro projeto de um tanque de compressão que incluía uma barreira ar/água (uma membrana flexível, para eliminar a migração de ar) e que foi projetado para ser pré-carregado (para reduzir o tamanho do tanque). O diafragma flexível normalmente é fixado na lateral do tanque próximo ao meio e não é substituível em campo; se o diafragma se romper, o tanque deve ser substituído.
Tanques de bexiga
Os tanques de bexiga usam uma bexiga semelhante a um balão para aceitar a água expandida. As bexigas geralmente são dimensionadas para todo o volume do tanque, chamadas de bexiga de “aceitação total”, para evitar danos à bexiga caso fiquem encharcadas. As bexigas são geralmente substituíveis em campo. Este é agora o tipo mais comum de tanque de expansão comercial grande.
Fórmulas de dimensionamento
A fórmula geral para dimensionamento de tanques, Equação 1 (com nomes de variáveis ajustados para corresponder aos usados neste artigo), a partir de princípios básicos assumindo leis de gases perfeitos:
`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)`Onde
Vt = volume total do tanque
Vs = volume do sistema
Ps = pressão inicial quando a água começa a entrar no tanque, absoluta
PEu = pressão inicial (pré-carga), absoluta
Pmax = pressão máxima, absoluta
EW = taxa de expansão unitária da água no sistema devido ao aumento de temperatura = (νh/νc-1)
vh = o volume específico de água na temperatura máxima, Th.
vc = o volume específico de água na temperatura mínima, Tc .
Ep = taxa de expansão da unidade da tubulação e outros componentes do sistema no sistema devido ao aumento de temperatura = 3α(Th-Tc )
α = coeficiente de dilatação da tubulação e demais componentes do sistema, por grau
Th = temperatura média máxima da água no sistema, graus absolutos
Tc = temperatura média mínima da água no sistema, graus absolutos
Ts = temperatura inicial do ar no tanque antes do enchimento, graus absolutos
Epeso = taxa de expansão unitária da água no tanque devido ao aumento da temperatura
Et = taxa de expansão unitária do tanque de expansão devido ao aumento de temperatura
O último termo (0,02 Vs ) representa o ar adicional da dessorção do ar dissolvido na água. Esta equação pode ser simplificada para Equação abaixo ignorando termos pequenos e assumindo que a temperatura do tanque permanece próxima à temperatura inicial de enchimento (normalmente uma boa suposição, assumindo que não há isolamento no tanque ou tubulação para ele, que é uma prática comum e recomendada):
`V_(t)=(V_(s)[((v_(h))/(v_(c))-1)-3alpha(T_(h)-T_(c))])/((P_(s) ))/(P_(i))-(P_(s))/(P_(max)))`Esta equação inclui o crédito para a expansão do sistema de tubulação. Este termo também é relativamente pequeno e os coeficientes de expansão são difíceis de determinar devido aos vários materiais no sistema, mas está incluído na Equação acima, uma vez que está incluído nas equações de dimensionamento do ASHRAE Handbook. Este termo também está incluído em alguns, mas não na maioria, software de seleção de fabricantes de tanques de expansão. A maioria dos fabricantes ignora este termo de forma conservadora, pois ele é pequeno e não maior do que os termos já ignorados na equação acima. Ignorar este termo resulta na equação abaixo:
`V_(t)=(((v_(h))/(v_(c))-1)V_(s))/((P_(s))/(P_(i))-(P_(s) )/(P_(max)))`O numerador é o volume da água expandida, Ve , à medida que aquece das temperaturas mínimas para as máximas, então a equação pode ser escrita:
`V_(t)=(V_(e))/((P_(s))/(P_(i))-(P_(s))/(P_(max)))`Onde:
`V_(e)=(v_(h)//v_(c)-1)V_(s)`A equação pode ser ainda mais simplificada com base no estilo do tanque usado.
Tanque ventilado
Para tanques ventilados, as pressões são todas iguais e o dominador limita a 1, então o tamanho do tanque é simplesmente o volume de água expandida:
`V_(t)=V_(e)`Tanque Fechado (sem pré-carga)
Para tanques de aço simples não ventilados, a pressão inicial é normalmente a pressão atmosférica com o tanque vazio (sem pré-carga). O tanque é então conectado à água de reposição, que pressuriza o tanque até a pressão de enchimento, deslocando o ar do sistema, essencialmente desperdiçando parte do volume do tanque. Então a equação de dimensionamento é:
`V_(l)=(V_(e))/((P_(a))/(P_(i))-(P_(a))/(P_(max)))`Onde, Puma = pressão atmosférica
Tanque pré-carregado
Para qualquer tanque pré-carregado com a pressão inicial necessária, incluindo tanques de diafragma e bexiga devidamente carregados, mas também incluindo tanques de aço planos fechados se pré-carregados, Ps é igual a PEu então a equação de dimensionamento se reduz a:
`V_(t)=(V_(e))/(1-(P_(i))/(P_(max)))`Observe que esta equação só se aplica quando o tanque é pré-carregado com o P necessárioEu . Os tanques são carregados de fábrica com uma pré-carga padrão de 12 psig (83 kPag).
Tanque Fechado
Para pressões de pré-carga desejadas mais altas, um pedido especial pode ser feito da fábrica ou o empreiteiro deve aumentar a pressão com ar comprimido ou uma bomba manual. Mas não é incomum que isso seja esquecido. Esse descuido pode ser compensado dimensionando o tanque usando a equação abaixo (assumindo a pressão atmosférica ao nível do mar):
`V_(t)=(V_(e))/((26.7)/(P_(i))-(26.7)/(P_(max)))`(pré-carga de 12 psig/26,7 psia [83 kPag/184 kPaa]). Isso aumentará o tamanho do tanque em comparação com um tanque pré-carregado corretamente.
Código ASME para caldeiras e vasos de pressão-2015, Seção VI
ASME Boiler and Pressure Vessel Code-2015, Seção VI, inclui equações de dimensionamento (assim como UMC e IMC, que extraem as equações literalmente), conforme mostrado na equação abaixo, com variáveis revisadas para corresponder às usadas neste artigo:
`V_(t)=(V_(s)(0.00041T_(h)-0.0466))/((P_(a))/(P_(i))-(P_(a))/(P_(max)) )`Comparando o denominador desta equação com a equação para tanque fechado (sem pré-carga), esta fórmula é claramente para dimensionar um tanque não pré-carregado; ele superestimará o tamanho de um tanque pré-carregado. O numerador é um ajuste de curva de Ve ; ele assume uma temperatura mínima de 65°F (18°C) e é preciso apenas na faixa de cerca de 170°F a 230°F (77°C a 110°C) temperatura operacional média. Portanto, esta equação não pode ser usada para água quente de temperatura muito alta (por exemplo, 350°F [177°C]), água de condensador de circuito fechado ou sistemas de água gelada.
Autor: Steven T. Taylor, PE
