Tanque de expansão do sistema de aquecimento: dispositivo, cálculo e seleção da melhor opção

Um tanque de expansão corretamente selecionado e instalado adequadamente para o sistema de aquecimento evitará sua falha e manterá a pressão no nível necessário. Ele é necessário como reserva para a água que se expande ao ser aquecida. Dependendo do tipo de sistema, o expansor embutido pode ser do tipo aberto ou fechado.

Explicaremos como selecionar o reservatório de expansão de acordo com o esquema de aquecimento criado. No artigo que apresentamos, são descritas as características construtivas e a especificidade da instalação dos expansores. São fornecidas recomendações cuja observância garantirá o funcionamento ideal do circuito de aquecimento de qualquer tipo.

Tanques de expansão do tipo aberto

A característica construtiva dos expansores do tipo aberto é o contato do fluido térmico com a atmosfera. A circulação em sistemas com expansor desse tipo é por convecção. Ao aquecer, o volume do líquido aumenta, e seu excesso é absorvido pelo reservatório.

Quando os indicadores de temperatura caem, o líquido retorna por gravidade, sob a ação da gravidade.

Devido à pressão zero no tanque, o dispositivo não requer uma construção metálica robusta, portanto:

• na fabricação do corpo, qualquer metal pode ser usado;
• pode ser usado um reservatório pronto de plástico resistente ao calor;
• a forma do reservatório não é fundamental.

Em casas de campo, esse equipamento pode ser montado com materiais disponíveis. Como reservatório, pode ser usado um galão ou barril de plástico, equipado com um tubo de entrada e uma saída para transbordamento.

Expansores do tipo aberto podem ser fabricados na forma de um tanque retangular com uma tampa não vedante na parte superior

Externamente, é um tanque metálico comum, cuja parte superior possui uma abertura para manutenção e adição de líquido. A proteção contra obstrução é fornecida por uma tampa não vedante. Na parte inferior ou na lateral, são previstos pontos de fixação.

Sistemas de aquecimento abertos são usados em edifícios de baixa altura, onde o volume de fluido térmico e a extensão das tubulações de aquecimento são relativamente pequenos.

Os requisitos de instalação são simples:

• o expansor é instalado no ponto mais alto, na linha de alimentação;
• a alimentação é conectada ao tanque através de um tubo;
• para o escoamento do excesso de líquido, é feita uma inserção de transbordamento acima do nível calculado.

Para garantir a circulação por gravidade, recomenda-se usar tubos de seção aumentada na instalação.

A construção aberta é colocada no ponto mais alto, de onde o líquido escoa por gravidade

Normalmente, tenta-se montar o tanque em um ambiente aquecido, como um sótão isolado, e se isso não for possível, o recipiente precisará ser isolado. A presença de isolamento evitará o congelamento do líquido e a perda de funcionamento do sistema.

Tanques de expansão do tipo fechado

A especificidade estrutural das modificações fechadas do tanque é a total estanqueidade, o que permite manter a pressão necessária para a circulação em qualquer ponto do sistema.

O reservatório interno é dividido por uma membrana em uma parte de ar e uma parte de líquido. Cada um dos compartimentos é totalmente vedado – a mistura contendo nitrogênio do compartimento de ar nunca se misturará com o fluido térmico que enche o compartimento de líquido.

O princípio de funcionamento do tanque de expansão fechado é que o líquido aquecido do sistema é empurrado para a parte líquida do tanque e começa a pressionar de seu lado a membrana vedada. A divisória se deforma e atua sobre a parte de ar, comprimindo-a.

Como resultado, o volume da câmara de ar do tanque diminui e o gás nela se comprime. Essa situação contribui para o aumento da pressão no sistema. Assim que a pressão se normaliza, o fluido térmico é empurrado de volta do compartimento líquido.

Se a pressão aumenta rapidamente, quando o volume crítico de líquido no tanque é atingido, a válvula de segurança é acionada. Como resultado, o excesso de fluido térmico será removido do tanque.

A construção fechada é completamente hermética, na sua parte inferior há um flange com um tubo de entrada, na parte superior há um nipe para enchimento de gás.

Dependendo da forma, todos os vasos de expansão fechados para instalação em sistema de aquecimento são divididos nos seguintes tipos:

1. Esféricos – um tipo de construção de membrana com divisória elástica. Quando o líquido entra, ela se estica e absorve todo o volume excedente. O próprio tanque tem a forma de uma cápsula esférica.
2. Ovais – outro tipo de compensadores hidráulicos de membrana. O balão do vaso de expansão é tradicionalmente dividido por uma membrana flexível em câmaras de gás e líquido, mas a configuração do corpo tem uma forma ligeiramente alongada verticalmente.

Externamente, os vasos de expansão ovais são um balão cilíndrico pintado de vermelho. De um lado, há um nipe para criar pressão na câmara de gás; do outro, um tubo através do qual a conexão ao sistema é feita.

No corpo, são soldados suportes de fixação que garantem a montagem suspensa do equipamento e são capazes de suportar seu peso operacional. A modificação esférica do tanque difere da oval apenas na forma.

Quanto às variedades, os expansores fechados de membrana dividem-se em modificações de diafragma e balão.

Em sistemas fechados, a circulação por gravidade não consegue fornecer o nível de pressão necessário. Portanto, a estrutura inclui uma bomba de circulação.

O próprio expansor pode ser instalado em qualquer ponto do sistema, mas ao realizar o trabalho de montagem, é desejável considerar as seguintes recomendações:

• o melhor local para instalação é a linha de retorno, antes do ponto de conexão da bomba;
• é melhor fornecer o fluido de aquecimento pela parte superior, o que reduzirá a penetração de ar e manterá a funcionalidade em caso de dano à membrana;
• a falta de volume principal pode ser compensada instalando um expansor adicional com capacidade menor.

Ao instalar, não é proibido considerar o interior do ambiente, se necessário. Para controlar o nível de pressão no sistema de aquecimento, o expansor deve ser equipado com um manômetro.

O expansor fechado geralmente é colocado antes da caldeira, antes do local de instalação da bomba de circulação

A possibilidade de colocar perto da caldeira elimina a questão da necessidade de isolar o reservatório. O equipamento fica em um ambiente aquecido, o que garante facilidade de operação.

Qual construção é melhor?

Os sistemas, dependendo do design e do material do tanque de expansão, diferem na lista de prós e contras. Mas, na opinião de especialistas e usuários experientes, as vantagens em funcionalidade estão do lado das opções fechadas.

Vantagens e desvantagens do tanque aberto

Um sistema de fluxo por gravidade necessita de tubos de maior diâmetro, o que por sua vez aumenta diretamente os custos. O orçamento para a instalação de um sistema de aquecimento aberto com um expansor não vedado aumenta ligeiramente, embora continue relativamente pequeno.

As principais vantagens dessa opção são a simplicidade, além do baixo custo dos componentes e da mão de obra de instalação. Outra característica positiva é a ausência da necessidade de controlar o nível de pressão.

Um expansor de tipo aberto para sistemas pequenos pode ser montado com materiais improvisados, e sua instalação também será simples.

No entanto, as desvantagens são significativamente maiores:

• o uso de anticongelante é perigoso devido aos vapores tóxicos;
• as possibilidades de instalação são limitadas apenas ao ponto superior do sistema;
• o contato constante com a atmosfera aumenta o risco de bolsas de ar e corrosão;
• aquecimento lento;
• as variações de temperatura que acompanham a circulação por convecção aceleram o desgaste do equipamento;
• é utilizado em aquecimento de edifícios de baixa altura, no máximo dois andares;
• grandes perdas de calor e consumo de energia para aquecimento.

Outra desvantagem do sistema aberto são as perdas por evaporação e transbordamento. Portanto, ao instalar o tanque, deve-se garantir a acessibilidade do orifício de abastecimento.

Vantagens e desvantagens do tanque fechado

Se, em termos de preços e simplicidade de instalação, os expansores abertos são vantajosos, a funcionalidade é o ponto forte do tanque fechado, também chamado de vaso de expansão. São eles que são usados na construção de sistemas de aquecimento fechados, que não têm contato direto com a atmosfera.

Os vasos de expansão possuem as seguintes vantagens:

• estanqueidade total permite o uso de anticongelante;
• o local de instalação do expansor não afeta o funcionamento do sistema;
• o isolamento do espaço interno do tanque minimiza a probabilidade de bolhas de ar e corrosão;
• após a partida, o sistema aquece mais rápido, é mais sensível ao ajuste das temperaturas;
• menor diferença entre as condições operacionais das linhas de ida e retorno, o que acaba aumentando a vida útil;
• não requer instalação de tubos de grande diâmetro, o que permite economizar na construção;
• não exige atenção constante ao nível e estado do fluido;
• possibilidade de uso em sistemas projetados para vários andares;
• pequenas perdas de calor, reduzindo os custos de operação do equipamento.

Ao escolher expansores desse tipo, podem ser encontrados cilindros selados com construção não desmontável. Em caso de falha da membrana, o cilindro deverá ser substituído por um novo.

Para controlar o nível de pressão de trabalho, um manômetro é instalado no cilindro; para remover o excesso de ar, é instalado um purgador de ar automático ou mecânico.

Entre as desvantagens, é importante destacar a complexidade da construção, os requisitos especiais para os materiais, que aumentam o custo do equipamento. A isso pode-se acrescentar a necessidade de monitoramento constante da pressão e sua restauração quando necessário.

Regras para cálculo da capacidade do reservatório

Um expansor de qualquer tipo só será eficaz se o volume for escolhido corretamente. Para isso, deve-se considerar a capacidade do líquido de se expandir durante o aquecimento. A água nos anéis de aquecimento se expande em pelo menos 3% do volume total do sistema de água, o anticongelante – praticamente em 5%.

Os líquidos são considerados meios incompressíveis, portanto, o tanque deve fornecer uma reserva suficiente para a expansão térmica com alguma margem. Se o circuito estiver completamente cheio de fluido de transferência de calor, mesmo a expansão térmica nos volumes calculados pode levar à descarga de líquido através da válvula de segurança e ao derramamento do fluido no chão.

Portanto, para evitar que o excesso de volume do fluido em expansão cause acidentes, os tanques fechados para circuitos pequenos em casas particulares são adquiridos de modo que seu volume seja igual a 10% do volume total do fluido circulante no sistema. Esta regra é válida para sistemas com capacidade de até 150 litros.

Se mais de 150 litros de fluido de transferência de calor se movimentam pelo anel de aquecimento, a capacidade do tanque fechado é calculada multiplicando-se o volume total do líquido pelo seu coeficiente de expansão nos valores específicos da temperatura de trabalho no sistema.

Ao valor obtido, é necessário adicionar o tamanho do selo d'água, ou seja, o volume de fluido de transferência de calor formado no tanque como resultado da pressão estática padrão do líquido. Para grandes anéis de aquecimento, esse valor geralmente é igual a 0,5% do volume total do fluido; para os pequenos, com capacidade de até 150 litros, é considerado 20%.

A soma obtida é multiplicada por um fator de correção, determinado pelos valores das pressões inicial e final no sistema de aquecimento. A pressão inicial é calculada considerando que para cada 10 m de altura do circuito corresponde 1 bar. A pressão final é formada como resultado do funcionamento do sistema.

O cálculo do volume do tanque fechado para grandes e complexas estruturas de aquecimento é o seguinte:

Nos cálculos foram utilizados: Vn – volume nominal do tanque fechado; Ve – volume do fluido de transferência de calor na expansão térmica (calculado pela fórmula V_sistema × n%, onde n é o coeficiente de expansão térmica do fluido); Vv – selo d'água; po – pressão inicial; pe – indicador de pressão final, igual ao valor da pressão limite da válvula de segurança menos 0,5 bar.

A capacidade do tipo aberto não é estritamente regulamentada por normas, mas existe uma regra: o volume do tanque aberto até o tubo de transbordamento deve ser de 3,5 – 4% do volume total do fluido de aquecimento no circuito de aquecimento.

Essa estimativa é suficiente para uma pequena casa de campo, mas uma construção para residência permanente exigirá um cálculo mais preciso. Em primeiro lugar, será necessário determinar o volume total do sistema de aquecimento.

Opções de cálculo da capacidade total do sistema de aquecimento

Este indicador pode ser determinado com diferentes graus de precisão por três métodos principais. Primeiro, com base nos dados da ficha técnica da caldeira. Assim, para cada unidade de potência do equipamento da caldeira, são necessários cerca de 15 litros de fluido. Para obter os dados necessários, é preciso multiplicar 15 pela potência da caldeira indicada na ficha técnica.

Em segundo lugar, é possível determinar o volume usando um hidrômetro ao encher o sistema. À medida que o sistema é preenchido, a quantidade de fluido usado é contabilizada. Esta é uma opção mais precisa e trabalhosa.

O terceiro método envolve calcular o volume total de todos os elementos do sistema de aquecimento. Esta é a opção mais precisa. A capacidade do trocador de calor da caldeira, radiadores, convectores e instrumentos de medição pode ser determinada pelas características da ficha técnica. Para calcular a capacidade dos tubos, são utilizados os dados da tabela.

A tabela indica as dimensões dos tubos em polegadas e seu volume em litros por 1 metro, que é usado para somar o volume total

A tabela indica o volume dos tubos por metro de comprimento, feitos dos materiais mais comuns e modernos. O diâmetro interno é indicado em polegadas de 0,5 a 1,5 unidades.

Outro método que almeja alta precisão é o cálculo pela fórmula:

Vtotal = π x D2 x L/4,

onde:

• π – é igual a 3,14;
• D – designa os parâmetros do diâmetro interno dos tubos;
• L – indica a extensão da tubulação do sistema.

Após obter os dados necessários, eles são somados e obtém-se o volume total do sistema, que é usado nos cálculos posteriores.

As etapas e fórmulas do ciclo completo de cálculos para o projeto e organização do aquecimento de uma casa particular são apresentadas aqui. Recomendamos que você conheça as informações úteis.

Seleção do tanque de expansão por tabela

Com os dados necessários disponíveis, a opção ideal do expansor pode ser selecionada pela tabela de volumes e pressão calculada.

O volume total do sistema é calculado pelo método indicado, os parâmetros de pressão são relevantes apenas para modificações fechadas e são indicados nos dados da ficha técnica do equipamento.

Os dados da tabela permitem selecionar o volume do expansor de 4 a 300 litros

Esta opção não requer cálculos especiais, além do cálculo do volume total do sistema. O uso da tabela facilita e acelera significativamente a seleção do expansor com a capacidade necessária do reservatório.

Uso de fórmulas para cálculo

Se os dados da tabela forem insuficientes, é possível calcular o indicador necessário do volume do tanque por conta própria.

Para isso, utiliza-se a seguinte fórmula:

Vb = Vc x k/D,

onde:

• Vb – indica a capacidade desejada do expansor;
• Vc – a capacidade total do sistema;
• k – o coeficiente de expansão do líquido durante o aquecimento;
• D – o coeficiente de eficiência do expansor.

Dos dados necessários para o cálculo, os coeficientes k e D permanecem desconhecidos. O primeiro é um valor tabelado, e o segundo é calculado por uma fórmula separada.

Também existe e é utilizada uma tabela de expansão térmica. Ela permite determinar o coeficiente para sistemas com água ou anticongelante. O valor não é linear, mudando com o aquecimento, dependendo da presença e concentração de glicol no líquido.

Com esses dados, é possível determinar os parâmetros do coeficiente de expansão do líquido durante o aquecimento (k), necessários para calcular o volume do tanque de expansão

Para a água, a concentração de etilenoglicol é considerada como '0'; para o anticongelante, a concentração é determinada pelos dados declarados pelo fabricante. A temperatura de aquecimento é considerada a temperatura operacional para o sistema específico.

Para calcular por conta própria o coeficiente de eficiência do tanque de expansão, aplica-se a fórmula:

(Qm – Qb) : (Qm + 1),

onde:

• Qm – a pressão máxima do sistema de acordo com o limite nominal de atuação da válvula de segurança;
• Qb – a pressão inicial na câmara de ar do expansor de acordo com o manual técnico.

Se o último parâmetro for desconhecido, ele é medido durante a calibração ou através da ventilação pelo bocal do tanque.

Outros métodos de cálculo

Além dos cálculos manuais com fórmulas e tabelas, existem formas alternativas. Uma opção acessível é o auxílio de uma calculadora online.

Não há falta de recursos online que oferecem o cálculo online do valor desejado. Basta encontrá-los com uma consulta por palavra-chave

Outra opção para obter os dados necessários é consultar projetistas profissionais. Esta é a maneira mais confiável, mas a precisão das informações obtidas será bastante cara.

As regras de instalação e conexão de expansores de tipo fechado e aberto são apresentadas no próximo artigo, dedicado a esses tópicos.

Como escolher corretamente o tanque de expansão?

Recomenda-se decidir sobre o tipo de sistema de aquecimento ainda na fase de planejamento. A escolha do tanque geralmente é adiada para o período após a construção da estrutura, quando o sistema está montado e seu volume é conhecido.

Ao selecionar a opção ideal de tanque de expansão, recomenda-se:

• considerar o volume do tanque de expansão fechado superior ao valor da expansão térmica do fluido de aquecimento;
• ao comprar, é preciso prestar atenção à conexão, ao formato do vaso e à localização dos conectores de fixação – isso evitará surpresas durante a instalação;
• é importante prestar atenção às instruções no corpo, que contêm informações úteis sobre a instalação e parâmetros técnicos.

Ao comprar, é melhor optar por um fabricante confiável, mesmo que seus tanques sejam mais caros. Isso garantirá a longevidade do sistema de aquecimento, desde que seja operado corretamente e mantido regularmente.

Antes da conexão, a pressão preliminar no compartimento de gás do tanque de membrana é ajustada para um valor igual à pressão estática da coluna de fluido térmico no circuito de aquecimento. O ajuste é feito com uma bomba de ar comum de automóvel e controlado com um manômetro.

O importante é não comprar um reservatório de caldeira para o sistema de aquecimento – eles são completamente diferentes em suas características técnicas.

Não se deve confundir os vasos de expansão para sistemas de aquecimento com os hidroacumuladores para linhas de abastecimento de água fria. Eles diferem na aparência e nas características de construção. Os primeiros são pintados de vermelho e geralmente não são desmontáveis, os segundos são de cor azul e possuem um flange removível para reparo da membrana.

Conclusões e vídeo útil sobre o tema

O vídeo ajudará a definir os parâmetros do vaso de expansão do tipo fechado e a entender as diferenças entre os tanques de aquecimento e os sistemas de caldeira:

Princípio de funcionamento e dicas para escolher o vaso no vídeo:

O sistema de aquecimento de uma casa particular pode ser realizado em esquema aberto ou fechado, o que exige a instalação de um vaso de expansão de construção adequada. O fator chave para seu funcionamento é o volume, que pode ser calculado por conta própria ou confiado a projetistas profissionais.

Um equipamento bem selecionado ajudará a manter o volume necessário de líquido em um sistema aberto e, em um aquecimento selado, manterá o nível de pressão de trabalho.

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