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Cálculo del Vaso de Expansión

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El vaso de expansión se encarga de absorber la variación en el volumen del fluido caloportador del circuito primario, esto se debe a que con el aumento de la temperatura el volumen de fluido aumenta. También consigue mantener la presión en los rangos de operación de la instalación y evita pérdidas y reposiciones del fluido caloportador.
El aumento de volumen del fluido debido a la temperatura se almacenará en el vaso de expansión, restituyéndose cuando la temperatura baje.

La presión y el volumen del fluido están relacionados entre sí, un aumento de uno acarrea un aumento en el otro. Esta relación se corresponde a:
(PxV)/T = constante
Siendo P la presión en un instante dado, V el volumen del fluido del que se trate y T la temperatura.

Para el cálculo del vaso de expansión, tanto abierto como cerrado, se deberá tener en cuenta el coeficiente de dilatación del fluido caloportador.
Un buen diseño en el vaso de expansión permitirá de este la capacidad de contener la expansión del fluido caloportador en los límites de trabajo, tanto para presión como temperatura, que son establecidos por el fabricante del mismo.

Las condiciones iniciales de un fluido caloportador son las siguientes:
Vo = 15 litros, Po = 1,5 atm y To = 30 ºC.
¿Qué volumen habrá expandido para una presión de 1,5 atm y una temperatura de 45 ºC?
Solución:
De las condiciones iniciales tendremos que:
(PxV)/T = (1,5×15)/30 = 0,75 que será constante para todo el sistema.
Con lo anterior podemos deducir de las nuevas condiciones que:
(1,5 x V)/ 45 = 0,75 despejamos V ⇒ V = 0.75 x 45 / 1,5 = 22,5 litros.
El volumen expandido será entonces:
22,5 – 15 = 7,5 litros.
En la práctica se utilizan fórmulas más complejas para determinar el volumen real del vaso de expansión.

CÁLCULO DEL VOLUMEN DEL VASO DE EXPANSIÓN ABIERTO

Las instalaciones en circuito abierto se equipan con vasos de expansión abiertos.
La cota de emplazamiento del vaso de expansión se elegirá de manera que, en cualquier punto del circuito y con cualquier régimen de funcionamiento de la bomba de circulación, exista una sobrepresión de al menos 0,15 bar por encima de la presión atmosférica. Se asegura de esta manera que por ninguna unión pueda entrar aire en el circuito.
Si el vaso de expansión está conectado a la aspiración de la bomba, esta condición se cumple si se sitúa este 1,5 m aproximadamente por encima del punto geométricamente más elevado del circuito, que suelen ser los colectores.

En la práctica el vaso de expansión se suele situar a una altura mínima de dos o tres metros sobre los colectores.

No deberá existir ningún órgano de cierre (válvula) en la tubería que comunica el circuito primario con el vaso.

Esquema de instalación solar con vaso de expansión abierto.

El volumen comprendido entre el nivel mínimo y el punto de máximo nivel de llenado del depósito será al menos igual al 6% del volumen total de la instalación, calculándose este último conociendo la capacidad de los colectores, tuberías, intercambiadores, etc.
Cuando la temperatura del fluido sea la del ambiente, el vaso deberá contener al menos un 2% de dicho volumen (nivel mínimo).

Vaso de expansión abierto.

En pequeñas instalaciones, para el cálculo de la capacidad V del vaso se puede utilizar la siguiente expresión que proporciona un amplio margen de seguridad ante posibles eventualidades:

V = 1,25VC + 0,05VR

Donde VC es la capacidad de los colectores y VR la del resto del circuito primario (tuberías, intercambiador, etc.).
Si se quiere realizar un cálculo más exacto del vaso de expansión deberemos seguir las indicaciones de la norma UNE 100-155-88 Climatización. Cálculo de vasos de expansión.

CÁLCULO Y SELECCIÓN DEL VASO DE EXPANSIÓN CERRADO

Actualmente la mayoría de las instalaciones de energía solar térmica tienen instalados vasos de expansión cerrados en su circuito primario.

Esquema de instalación solar con vaso de expansión cerrado.

Los vasos de expansión cerrados presentan ventajas notables frente a los abiertos, entre las cuales podemos destacar:

  • Montaje fácil, ya que en principio se pueden instalar en cualquier sitio de la instalación.
  • No se necesita aislarlos.
  • Al ser cerrados, el fluido caloportador no absorbe oxígeno del aire cuando retorna al circuito primario, evitándose por consiguiente la corrosión en el interior de las tuberías.
  • Se eliminan pérdidas del fluido caloportador por evaporación, que sí se producen en los vasos abiertos.
Vaso de expansión cerrado.

Un vaso de expansión cerrado se compone de dos semiesferas prefabricadas, embutidas y soldadas entre sí. En la semiesfera inferior se encuentra una válvula de llenado (se emplea nitrógeno) con la cual podremos controlar la presión del vaso.
La membrana interior suele ser de caucho sintético elástico de alta calidad, y separa el aire o elemento gaseoso (suele ser nitrógeno) del fluido caloportador.

Componentes principales: 1. Cámara de nitrógeno. 2. Cámara de expansión del fluido caloportador. 3. Orificio de conexión a la instalación. 4. Membrana

El funcionamiento de un vaso de expansión cerrado es el siguiente:
El fluido caloportador aumenta el volumen debido a un aumento de temperatura, comenzando una lenta expansión que va penetrando poco a poco en el vaso de expansión, ejerciendo así una presión creciente sobre la membrana elástica que se irá comprimiendo hasta alcanzar la presión máxima de diseño.
A partir de aquí, si sigue aumentando la presión, actuarán los elementos de seguridad de la instalación.

En el caso de que el fluido comenzara a enfriarse se produciría el fenómeno inverso, el fluido caloportador se retraería y ejercería cada vez menor presión desalojándose el fluido caloportador del vaso de expansión.

La presión de tarado del vaso, es decir, la de la cámara de aire, será tal que la membrana interior no sufra ninguna deformación en las condiciones de puesta en marcha de la instalación, es decir, con el circuito primario lleno y frío. Durante la puesta en marcha de la instalación el circuito primario se llena hasta alcanzar una determinada presión de llenado. Normalmente existe una diferencia de alturas entre la parte más alta del circuito y el vaso de expansión, es decir, puede que exista una columna de agua gravitando sobre el vaso. La presión de tarado del vaso en este caso deberá ser la suma de la presión de llenado inicial del circuito más la presión estática que soporta el vaso (1 kg por cada 10 metros de columna de agua).

Como se dijo antes, a medida que aumenta la temperatura del fluido, su dilatación provoca un aumento de la presión del circuito. Este aumento de presión hace que la membrana interior del vaso se expanda y que, consiguientemente, se reduzca el volumen de su cámara de aire. Esta reducción de volumen absorbe la dilatación del fluido, de forma que la presión del circuito vuelve a su valor en frío. Si la membrana se expandiera al máximo y el vaso no pudiera absorber más la dilatación del fluido, la presión del circuito aumentaría conforme lo hiciera la temperatura del fluido, hasta provocar que actuara la válvula de seguridad.

La capacidad o volumen útil del vaso, Vu, al igual que en el caso de sistemas abiertos, tendrá que ser igual, como mínimo, al aumento total del volumen debido a la dilatación del fluido caloportador de la instalación, a la temperatura que se considere.

En el cálculo del vaso de expansión interviene también un número adimensional llamado coeficiente de utilización, Ku, que relaciona el volumen total del vaso con su volumen útil, y que depende de la altura manométrica de la instalación y de la presión máxima de trabajo.

Ku = pf – pi / pf

Donde pf es la presión absoluta máxima de trabajo, pi la presión absoluta de altura manométrica o presión mínima en el vaso de expansión y Ku el coeficiente de utilización.

Para obtener la presión absoluta (pf) se aplica la siguiente ecuación: pf = ptarado + patm

Siendo ptarado la presión de tarado de la válvula de seguridad del circuito primario y patm la presión atmosférica de valor 1 kg/cm2 o, lo que es lo mismo, 1 atm.

Nota: La ecuación general para cualquier fluido o gas es análoga: Pabs = P + Patm.

La presión absoluta de altura manométrica será la que soporte el vaso de expansión más la presión atmosférica.
La capacidad o volumen total del vaso de expansión se calculará como:

Vt = Vu / Ku

Un método abreviado válido para instalaciones pequeñas con dos circuitos (primario/secundario) en la instalación sería la aplicación de esta ecuación:

V  = VT (0,2 + 0,01h)

Siendo:
VT, el volumen total en el circuito primario (colectores, tuberías, intercambiador, etc.).
h, la diferencia entre las alturas en metros desde el punto más alto de los colectores hasta el vaso de expansión.

Los vasos de expansión cerrados disponen de una válvula de aire similar a la de los neumáticos de automóvil, que permite subir o bajar la presión en función de las necesidades de la instalación.

Se aconseja tarar la presión del vaso, con ayuda de un manómetro, a 1,5 kg/cm2 por encima de la presión debida a la columna de líquido sobre el punto en el que está situado el vaso.

La tubería de conexión entre el vaso y el circuito primario, también llamada tubería de expansión, tendrá un diámetro mínimo de 25 mm.

 

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