Quando a água é aquecida, ela se expande. Se esta expansão ocorrer em um sistema fechado, podem ser criadas pressões de água perigosas. Um sistema de água quente sanitária pode ser um sistema fechado quando os acessórios de água quente estão fechados e a tubagem de abastecimento de água fria tem dispositivos anti-retorno ou qualquer outro dispositivo que possa isolar o sistema de água quente sanitária do resto do abastecimento de água doméstica.
Essas pressões podem subir rapidamente a um ponto em que a válvula de alívio do aquecedor de água se solta, aliviando a pressão, mas ao mesmo tempo comprometendo a integridade da válvula de alívio.
Uma válvula de alívio instalada em um aquecedor de água não é uma válvula de controle, mas uma válvula de segurança. Ele não foi projetado ou destinado para uso contínuo. Pressões excessivas repetidas podem levar à falha do equipamento e da tubulação e ferimentos pessoais.
Quando dimensionado corretamente, um tanque de expansão conectado ao sistema fechado fornece volume de sistema adicional para expansão de água enquanto garante uma pressão máxima desejada em um sistema de água quente sanitária. Ele faz isso utilizando uma almofada de ar pressurizada (figura abaixo). A discussão a seguir explica como dimensionar um tanque de expansão para um sistema de água quente sanitária e a teoria por trás do projeto e cálculos. Baseia-se no uso de um tanque de expansão do tipo diafragma ou bexiga, que é o tipo mais comumente usado na indústria de encanamento. Este tipo de tanque de expansão não permite que a água e o ar entrem em contato.
Expansão da Água
Uma libra de água a 140°F tem um volume maior do que a mesma libra de água a 40°F. Em outras palavras, o volume específico da água aumenta com o aumento da temperatura.
Se o volume de água em uma condição de temperatura específica for conhecido, a expansão da água pode ser calculada da seguinte forma:
Onde:
- Vew = Expansão de água, galões
- vs1 = Volume do sistema de água na temperatura 1, galões
- vs2 = Volume do sistema de água na temperatura 2, galões
| Temp., ∘ F | Volume específico, pés3/Libra |
| 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 é o volume inicial do sistema e pode ser determinado calculando o volume do sistema de água quente sanitária. Isso implica somar o volume do equipamento de aquecimento de água ao volume da tubulação e qualquer outra parte do sistema de água quente.
vs2 é o volume expandido do sistema de água na temperatura de projeto da água quente. Vs2 pode ser expresso em termos de Vs1. Para fazer isso, observe o peso da água em ambas as condições.
O peso (W) de água à temperatura 1 (T1) é igual ao peso da água em T2, ou W1 = W2. Em T1, C1 = vs1/vsp1, e da mesma forma em T2, C2 = vs2/vsp2, onde vsp é igual ao volume específico de água nas duas condições de temperatura. (Consulte a tabela acima para obter dados de volume específicos.)
Desde W1 = W2, então:
Resolvendo para Vs2:
Exemplo 1:
Um sistema de água quente doméstica tem 1.000 galões de água. Quanto os 1.000 galões se expandirão de uma temperatura de 40°F para uma temperatura de 140°F?
Da tabela acima, vsp1 = 0,01602 (a 40°F) e vsp2 = 0,01629 (a 140°F). Utilizando a equação:
Observe que esta é a quantidade de expansão da água e não deve ser confundida com o tamanho do tanque de expansão necessário.
Expansão de Materiais
O tanque de expansão receberá toda a expansão da água?
A resposta é não, porque não apenas a água está se expandindo. A tubulação e os equipamentos de aquecimento de água também se expandem com o aumento da temperatura. Qualquer expansão desses materiais resulta em menos expansão de água sendo recebida pelo tanque de expansão. Outra forma de ver é a seguinte:
Venet = Vew – Vemat
- Venet = Expansão líquida de água recebida pelo tanque de expansão, galões
- Ver = Expansão da água, galões
- Vemat = Expansão de material, galões
Para determinar a quantidade de expansão que cada material experimenta por uma certa mudança de temperatura, observe o coeficiente de expansão linear para esse material.
Para o cobre, o coeficiente de expansão linear é 9,5 × 10-6 polegada/polegada/°F, e para aço é 6,5 × 10-6 polegada/polegada/°F.
A partir do coeficiente de expansão linear, pode-se determinar o coeficiente de expansão volumétrica de um material. O coeficiente de expansão volumétrica é três vezes o coeficiente de expansão linear:
ß=3α
ß = Coeficiente volumétrico de expansão
α = Coeficiente linear de expansão
Assim, o coeficiente volumétrico para o cobre é 28,5 × 10-6 galão/galão/°F, e para aço é 19,5 × 10-6 galão/galão/°F. O material se expandirá proporcionalmente com o aumento da temperatura.
Vemat = Vmat × ß (T2 – T1)
Venet = Vew – [Vmat1×ß1 (T2 – T1)+Vmat2×ß2 (T2 – T1)]
Volume Nominal da Tubulação
| Volume do tubo, gal/pés lineares do tubo | |
| Tamanho do tubo, pol. | 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 |
Exemplo 2:
Um sistema de água quente sanitária tem um aquecedor de água feito de aço com um volume de 900 galões. Tem 100 pés de tubulação de 4 polegadas, 100 pés de tubulação de 2 polegadas, 100 pés de tubulação de 1½ polegada e 300 pés de tubulação de ½ polegada. Toda a tubulação é de cobre. Assumindo que a temperatura inicial da água é 40°F e a temperatura final da água é 140°F, (1) quanto cada material irá expandir, e (2) qual é a expansão líquida de água que um tanque de expansão verá?
Utilizando Equação Vemat para o aço (material nº 1), Vmat1 = 900 galões e Vemat1 = 900 (19,5 × 10-6)(140 – 40) = 1,8 galões. Para o cobre (material nº 2), consulte primeiro a Tabela acima para determinar o volume de cada tamanho de tubo:
- 4 polegadas = 100 x 0,67 = 67 galões
- 2 polegadas = 100 x 0,17 = 17 galões
- 1½ polegada = 100 x 0,10 = 10 galões
- ½ polegada = 300 x 0,02 = 6 galões
Volume total da tubulação de cobre = 100 galões Utilizando a Equação Vemat para cobre, Vmat2 = 100 galões e Vemat2 = 100 (28,5 × 10–6)(140 – 40) = 0,3 galão.
O volume inicial de água do sistema (Vs1) é igual a Vmat1 + Vmat2, ou 900 galões + 100 galões. A partir de Último exemplo, 1.000 galões de água indo de 40°F para 140°F expandem 16,9 galões. Assim, utilizando a equação Venet, Venet = 16,9 – (1,8 + 0,03) = 15 galões. Esta é a quantidade líquida de expansão de água que o tanque de expansão verá. Mais uma vez, observe que este não é o tamanho do tanque de expansão necessário.
Lei de Boyle
Depois de determinar quanta expansão de água o tanque de expansão verá, é hora de ver como a almofada de ar em um tanque de expansão permite que o projetista limite a pressão do sistema.
A lei de Boyle afirma que, a uma temperatura constante, o volume ocupado por um determinado peso de gás perfeito (incluindo para fins práticos o ar atmosférico) varia inversamente à pressão absoluta (pressão manométrica + pressão atmosférica). É expresso pelo seguinte:
P1V1 = P2V2
Onde
- P1 = Pressão de ar inicial, libras por polegada quadrada absoluta (psia)
- V1 =Volume inicial de ar, galões
- P2 = Pressão de ar final, psia
- V2 = Volume final de ar, galões
Como esta lei se relaciona com o dimensionamento de tanques de expansão em sistemas de água quente sanitária?
A almofada de ar no tanque de expansão fornece um espaço para o qual a água expandida pode ir. O volume de ar no tanque diminui à medida que a água se expande e entra no tanque. À medida que o volume de ar diminui, a pressão do ar aumenta.
Utilizando a lei de Boyle, o volume inicial de ar (ou seja, o tamanho do tanque de expansão) deve ser baseado em:
- Pressão inicial da água,
- Pressão máxima de água desejada e
- Mudança no volume inicial do ar.
Para utilizar a equação acima, perceba que a pressão do ar é igual à pressão da água em cada condição e suponha que a temperatura do ar permaneça constante na condição 1 e na condição 2 na Figura acima.
Essa suposição é razoavelmente precisa se o tanque de expansão for instalado no lado da água fria do aquecedor de água. Lembre-se, ao dimensionar um tanque de expansão, o projetista está dimensionando um tanque de ar, não um tanque de água.
Referindo-se à Figura acima, na condição 1, a carga de pressão de ar inicial do tanque, P1, é igual à pressão de entrada da água no outro lado do diafragma. O volume inicial de ar no tanque, V1, também é o tamanho do tanque de expansão. O volume final de ar no tanque, V2, também pode ser expresso como V1 menos a expansão líquida da água (Venet).
A pressão do ar na condição 2, P2, é a mesma pressão que a pressão máxima desejada do sistema de água quente sanitária à temperatura final, T2. P2 deve ser sempre menor que a configuração da válvula de alívio no aquecedor de água.
Usando a lei de Boyle:
- V1 = Tamanho do tanque de expansão necessário para manter a pressão desejada do sistema, P2, galões
- Venet = Expansão líquida de água, galões P1 = Pressão de entrada de água, psia (Nota: A pressão absoluta é a pressão manométrica mais a pressão atmosférica, ou 50 psig = 64,7 psia.)
- P2 = Pressão máxima desejada de água, psia
Exemplo 3:
Olhando novamente para o sistema de água quente sanitária descrito em Exemplo 2, se a pressão de abastecimento de água fria for 50 psig e a pressão máxima de água desejada for 110 psig, que tamanho de tanque de expansão é necessário?
Exemplo 2 determinou que Venet é igual a 15 galões. Convertendo as pressões dadas em absolutas e utilizando as equações descritas acima, o tamanho do tanque de expansão necessário pode ser determinado como:
Nota: Ao selecionar o tanque de expansão, certifique-se de que o diafragma ou bexiga do tanque pode aceitar 15 galões de água (Venet).
