Quando a água é aquecida, ela se expande. Se essa expansão ocorrer em um sistema fechado, poderão ser criadas pressões de água perigosas. Um sistema doméstico de água quente pode ser um sistema fechado quando os acessórios de água quente estiverem fechados e a tubulação de suprimento de água fria possui preventores de refluxo ou qualquer outro dispositivo que possa isolar o sistema de água quente doméstica do restante do suprimento doméstico de água.
Essas pressões podem subir rapidamente a um ponto em que a válvula de alívio no aquecedor de água derruba assim, 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. Não é projetado ou destinado ao uso contínuo. Pressões excessivas repetidas podem levar a falhas de equipamentos e tubos e lesões pessoais.
Quando dimensionado adequadamente, um tanque de expansão conectado ao sistema fechado fornece volume adicional do sistema para expansão da água, garantindo uma pressão máxima desejada em um sistema doméstico de água quente. Isso é feito utilizando uma almofada pressurizada de ar (figura abaixo). A discussão a seguir explica como dimensionar um tanque de expansão para um sistema doméstico de água quente e a teoria por trás do design e dos cálculos. É baseado no uso de um tanque de expansão do tipo diafragma ou bexiga, que é o tipo mais comumente usado na indústria de encanamento. Esse tipo de tanque de expansão não permite que a água e o ar entrem em contato entre si.
Expansão da água
Um quilo de água a 140 ° F tem um volume maior que o mesmo quilo de água a 40 ° F. Em outras palavras, o volume específico de água aumenta com um aumento de temperatura.
Se o volume de água em uma condição de temperatura específico for conhecido, a expansão da água poderá ser calculada da seguinte forma:
Onde:
- Vew = expansão da água, galões
- vs1 = Volume do sistema de água à temperatura 1, galões
- vs2 = Volume do sistema de água à temperatura 2, galões
| Temp., ∘ F | Volume específico, ft3/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 doméstico de água quente. Isso implica adicionar 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 do projeto Hot Water. Vs.2 pode ser expresso em termos de vs1. Para fazer isso, observe o peso da água nas duas 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 o VSP é igual ao volume específico de água nas duas condições de temperatura. (Consulte a tabela acima para obter dados específicos de volume.)
Desde W1 = W2, então:
Resolvendo para vs.2:
Exemplo 1:
Um sistema doméstico de água quente possui 1.000 galões de água. Quanto os 1.000 galões se expandem 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 essa é a quantidade de expansão da água e não deve ser confundida com o tamanho do tanque de expansão necessário.
Expansão do material
O tanque de expansão receberá toda a expansão da água?
A resposta é não, porque não apenas a água está se expandindo. O equipamento de tubulação e aquecimento de água também se expande com um aumento de temperatura. Qualquer expansão desses materiais resulta em menos expansão da água recebida pelo tanque de expansão. Outra maneira de olhar para isso é a seguinte:
Venet = vew - veemat
- Venet = Expansão líquida da água recebida pelo tanque de expansão, galões
- Ver = Expansão da água, galões
- Vemat = Expansão do 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 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 ser determinado 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 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 um aumento de temperatura.
Vemat = Vmat × ß (T2 - T1)
Venet = vew - [vmat1×ß1 (T2 – T1)+Vmat2×ß2 (T2 – T1)]
Volume nominal de tubulação
| Volume de tubo, gal/linear ft de tubo | |
| Tamanho do tubo, IN. | 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 doméstico de água quente possui um aquecedor de água feito de aço com um volume de 900 galões. Possui 100 pés de tubulação de 4 polegadas, 100 pés de tubulação de 2 polegadas, 100 pés de tubulação de 1,5 cm e 300 pés de tubulação de ½ polegada. Toda a tubulação é de cobre. Supondo que a temperatura inicial da água seja de 40 ° F e a temperatura final da água seja de 140 ° F, (1) quanto cada material se expandirá, e (2) Qual é a expansão líquida da água que um tanque de expansão verá?
Utilizando equação Vemat Para o aço (material nº 1), vmat1 = 900 galões e veemat1 = 900 (19,5 × 10–6) (140 - 40) = 1,8 galões. Para o cobre (material nº 2), primeiro olhe para a tabela acima para determinar o volume de cada tamanho do tubo:
- 4 polegadas = 100 x 0,67 = 67 galões
- 2 polegadas = 100 x 0,17 = 17 galões
- 1½ polegadas = 100 x 0,10 = 10 galões
- ½ polegada = 300 x 0,02 = 6 galões
Volume total de tubulação de cobre = 100 galões utilizando equação Vemat para cobre, vmat2 = 100 galões e veemat2 = 100 (28,5 × 10–6) (140 - 40) = 0,3 galão.
O volume inicial do sistema de água (vs1) é igual a Vmat1 + Vmat2, ou 900 galões + 100 galões. De Último exemplo, 1.000 galões de água que passam de 40 ° F a 140 ° F se 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 da água que o tanque de expansão verá. Mais uma vez, observe que esse não é o tamanho do tanque de expansão necessário.
Lei de Boyle
Depois de determinar quanta expansão da água o tanque de expansão verá, é hora de ver como a almofada do ar em um tanque de expansão permite que o designer 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 (inclusive para fins práticos ar atmosférico) varia inversamente como a pressão absoluta (pressão do medidor + pressão atmosférica). É expresso pelo seguinte:
P1V1 = P2V2
Onde
- P1 = Pressão inicial do ar, libras por polegada quadrada absoluta (psia)
- V1 = Volume inicial de ar, galões
- P2 = Pressão do ar final, psia
- V2 = Volume final de ar, galões
Como essa lei se relaciona com tanques de expansão de dimensionamento em sistemas domésticos de água quente?
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 desejada da água 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 assuma que a temperatura do ar permanece 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 designer está dimensionando um tanque de ar, não um tanque de água.
Referindo -se à figura acima, na condição 1 a carga inicial de pressão do ar do tanque, P1, equivale à pressão 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 doméstica na temperatura final, t2. P2 deve sempre ser menor que a configuração da válvula de alívio no aquecedor de água.
Utilizando a lei de Boyle:
- V1 = Tamanho do tanque de expansão necessário para manter a pressão do sistema desejada, P2, galões
- Venet = expansão líquida da água, galões P1 = Pressão da água recebida, PSIA (Nota: A pressão absoluta é a pressão do medidor mais a pressão atmosférica ou 50 psig = 64,7 psia.)
- P2 = pressão máxima desejada de água, psia
Exemplo 3:
Olhando novamente para o sistema doméstico de água quente descrita em Exemplo 2, se a pressão do suprimento de água fria for de 50 psig e a pressão máxima desejada da água é de 110 psig, que tanque de expansão de tamanho é necessário?
Exemplo 2 Determinou que Venet é igual a 15 galões. Convertendo as pressões dadas em equações absolutas e utilizantes descritas acima, o tamanho do tanque de expansão necessário pode ser determinado como:
NOTA: Ao selecionar o tanque de expansão, verifique se o diafragma ou a bexiga do tanque podem aceitar 15 galões de água (veneta).
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