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 alterações no volume de água do sistema à medida que 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 e do equipamento. Além disso, (2) mantenha uma pressão manométrica positiva em todas as partes do sistema para evitar vazamento de ar no sistema. (3) Mantenha pressões suficientes em todas as partes do sistema para evitar ebulição, incluindo cavitação nas válvulas de controle e constrições semelhantes. (4) Manter a altura manométrica de sucção positiva líquida necessária (NPSHR) na sucção das bombas.
Os dois últimos pontos geralmente se aplicam apenas a sistemas de água quente de alta temperatura (acima 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 ser superior a 100°C (212°F), e o contato ar/água aberto resulta em uma migração constante de ar para dentro do sistema, causando corrosão. Conseqüentemente, esse design quase nunca mais é 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 a ventilação tampada. Isso permite que o tanque fique 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 até a pressão operacional mínima antes da conexão ao sistema, este tipo de tanque também deve ser maior que os tanques pré-carregados. Conseqüentemente, esse design quase nunca mais é 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 pode ser substituído em campo; se o diafragma romper, o tanque deverá ser substituído.
Tanques de bexiga
Os tanques de bexiga usam uma bexiga em forma de balão para aceitar a água expandida. As bexigas são frequentemente 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 grande tanque de expansão comercial.
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:
$$V_t = \frac{V_s(E_w – E_p)}{(P_s T_c / P_i T_s) – (P_s T_h / P_{max} T_s) – E_{wt}[1 – (P_s T_c / P_{max} T_s)] + E_t} – 0.02 V_s$$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 da temperatura = (νh/νc-1)
vh = o volume específico de água na temperatura máxima, Th.
vc = o volume específico de água à temperatura mínima, Tc .
Ep = taxa de expansão da unidade da tubulação e outros componentes do sistema devido ao aumento de temperatura = 3α(Th-Tc )
α = coeficiente de expansão 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 proveniente da dessorção do ar dissolvido na água. Esta equação pode ser simplificada para equação abaixo ignorando pequenos termos e assumindo que a temperatura do tanque permanece próxima da temperatura inicial de enchimento (normalmente uma boa suposição, assumindo que não há isolamento no tanque ou na tubulação para ele, o que é uma prática comum e recomendada):
$$V_t = \frac{V_s\left(\frac{v_h}{v_c} – 1 – 3\alpha(T_h – T_c)\right)}{\frac{P_s}{P_i} – \frac{P_s}{P_{max}}}$$Essa equação inclui o crédito pela expansão do sistema de tubulação. Este termo também é relativamente pequeno e os coeficientes de expansão são difíceis de determinar, dados os vários materiais do sistema, mas está incluído na Equação acima, uma vez que está incluído nas equações de dimensionamento do Manual ASHRAE. Este termo também está incluído em alguns, mas não na maioria, dos softwares de seleção dos fabricantes de tanques de expansão. A maioria dos fabricantes ignora este termo de forma conservadora, uma vez que é pequeno e não maior do que os termos já ignorados na equação acima. Ignorar este termo resulta na equação abaixo:
$$V_t = \frac{(((v_h/v_c) – 1) V_s)}{(P_s/P_i) – (P_s/P_{max})}$$O numerador é o volume da água expandida, Ve , à medida que aquece das temperaturas mínimas para máximas, então a equação pode ser escrita:
$$V_t = \frac{V_e}{\frac{P_s}{P_i} – \frac{P_s}{P_{max}}}$$Onde:
$$V_e = (v_h/v_c – 1) V_s$$A equação pode ser ainda mais simplificada com base no estilo de tanque utilizado.
tanque ventilado
Para tanques ventilados, as pressões são todas iguais e o dominador limita-se 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 sem ventilação, 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, desperdiçando essencialmente parte do volume do tanque. Portanto, a equação de dimensionamento é:
$$V_l = \frac{V_e}{\frac{P_a}{P_i} – \frac{P_a}{P_{max}}}$$Onde, Puma = pressão atmosférica
Tanque pré-carregado
Para qualquer tanque que seja pré-carregado até a pressão inicial necessária, incluindo tanques de diafragma e bexiga devidamente carregados, mas também incluindo tanques fechados de aço simples, se pré-carregados, Ps é igual a PEu então a equação de dimensionamento se reduz a:
$$V_t = \frac{V_e}{1 – \frac{P_i}{P_{max}}}$$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 na fábrica ou o empreiteiro deve aumentar a pressão com ar comprimido ou uma bomba manual. Mas não é incomum que isso seja esquecido. Este descuido pode ser compensado dimensionando o tanque usando a Equação abaixo (assumindo a pressão atmosférica ao nível do mar):
$$V_t = \frac{V_e}{\frac{26.7}{P_i} – \frac{26.7}{P_{max}}}$$(12 psig/26,7 psia [83 kPag/184 kPaa] pré-carga). Isso aumentará o tamanho do tanque em comparação com um tanque pré-carregado adequadamente.
Código ASME para caldeiras e vasos de pressão-2015, Seção VI
Código ASME para caldeiras e vasos de pressão-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:
$$V_t = \frac{V_s(0.00041T_h – 0.0466)}{\frac{P_a}{P_i} – \frac{P_a}{P_{max}}}$$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; isso 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 só é preciso na faixa de temperatura operacional média de cerca de 170°F a 230°F (77°C a 110°C). Portanto, esta equação não pode ser usada para água quente com 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
FREQUENTLY ASKED QUESTIONS
Undersizing an expansion tank can lead to several consequences, including increased system pressure, reduced system efficiency, and potential equipment damage. Insufficient tank capacity can cause the system to exceed the pressure rating of equipment and piping components, leading to premature failure or even catastrophic failure. Additionally, undersizing can result in inadequate pressure maintenance, allowing air to enter the system and causing corrosion, erosion, and other issues.
To determine the required expansion tank size, you need to calculate the total volume of the system, including the volume of water in the pipes, radiators, and other components. You should also consider the maximum expected temperature change in the system, as well as the pressure rating of the equipment and piping components. Using formulas such as the one provided in the ASHRAE Handbook or other industry resources, you can calculate the required tank size based on these factors. It’s essential to consult with a qualified engineer or technician to ensure accurate calculations and proper tank sizing.
Open expansion tanks are vented to the atmosphere and are typically used in open systems where the tank is not pressurized. Closed expansion tanks, on the other hand, are pressurized and used in closed systems where the tank is subjected to system pressure. Closed tanks are more common in modern hydronic systems due to their ability to maintain a positive pressure and prevent air from entering the system. Open tanks are often used in older systems or in applications where the system pressure is relatively low. The choice between open and closed tanks depends on the specific system requirements and design.
While standard formulas can provide a good starting point for calculating expansion tank size, there are other factors to consider, such as system complexity, piping layout, and equipment specifications. For example, systems with multiple loops or zones may require larger tanks to accommodate the additional volume changes. Additionally, the type of fluid used in the system, such as water or glycol, can affect the tank sizing calculation. It’s essential to consider these factors and consult with industry resources or a qualified engineer to ensure accurate tank sizing.
Regular inspection and maintenance of the expansion tank are crucial to ensure optimal system performance and prevent potential issues. It’s recommended to inspect the tank at least annually, checking for signs of corrosion, damage, or leakage. Additionally, the tank should be drained and cleaned periodically to remove sediment and debris that can affect its performance. The frequency of maintenance may vary depending on the system design, operating conditions, and local regulations. Consult with a qualified technician or the tank manufacturer’s guidelines for specific maintenance recommendations.
