Abbiamo parlato dei serbatoi di accumulo negli impianti di termici, intendendo ovviamente i serbatoi aperti.

I serbatoi di accumulo hanno anche la funzione di “vasi di espansione“,  il vaso di espansione ha una duplice funzione: termica e idraulica.

Dal punto di vista termico la sua funzione è quella di consentire all’acqua, fluido incomprimibile, di espandersi o contrarsi. Perché ciò sia possibile è necessario che il fluido sia a contatto con un gas che possa compensare le dilatazioni e le contrazioni del fluido stesso.

Esistono tre configurazioni possibili:

• vaso aperto all’atmosfera;
• vaso chiuso, contenente acqua e aria (o altro gas inerte) senza alcuna separazione (autopressurizzato o pressurizzato con aria o gas in pressione introdotto dall’esterno);
• vaso chiuso con membrana di separazione fra l’acqua e un gas inerte (azoto).

Il volume dei vasi di espansione può essere calcolato con le seguenti espressioni:

per vaso aperto all’atmosfera:

per vaso chiuso senza diaframma:

per vaso chiuso con diaframma:

dove:
V_v = volume del vaso di espansione (L)
V_w = volume dell’acqua contenuta nell’impianto (L)
v₁ = volume specifico dell’acqua fredda alla più bassa temperatura t₁ (m³ / kg)
v₂ = volume specifico dell’acqua alla massima temperatura t₂ (m₃ / kg)
α = coefficiente di dilatazione lineare dei metalli (vedi tabella)
– per acciaio α = 1,2 . 10^-5 (1/K)
– per rame α = 1,65  10^-5 (1/K)

∆_t = t₂ – t₁ (°C)
P_a = pressione atmosferica, assoluta (bar)
P_i = pressione assoluta iniziale alla più bassa temperatura t₁ (bar)
P_f = pressione assoluta in esercizio alla più alta temperatura t₂ (bar)

L’espressione:
V_w [(v₂/v₁) – 1] – 3 α∆t (L)
rappresenta la variazione di volume.

Negli impianti ad acqua calda le temperature di riferimento sono prevalentemente:
t₁ = la temperatura all’atto del riempimento, 10 °C
t₂ = la temperatura massima di mandata dell’acqua 85 : 90 °C

Negli impianti ad acqua surriscaldata evidentemente la temperatura t₂ assume valori fino a 130 °C e oltre.
Nei circuiti ad acqua refrigerata invece:
t₁ = la temperatura massima raggiungibile dall’acqua a impianto fermo, 35°C;
t₂ = la temperatura minima di funzionamento, 7°C, per esempio.

I volumi specifici dell’acqua sono riportati nella seguente tabella.

Dal punto di vista idraulico il vaso di espansione determina e fissa la pressione di riferimento del sistema. Nel punto del circuito in cui è inserito il vaso, la pressione è eguale alla pressione dell’aria nel vaso aumentata o diminuita della colonna di liquido sovrastante o sottostante.

Valori di pressione nel punto di inserzione dei diversi tipi di vasi di espansione.

Vaso di espansione aperto
Come dalla sua espressione, si è visto che la capacità del vaso deve essere almeno il doppio del volume di espansione dell’acqua e ciò allo scopo di impedire che si perda acqua dal troppo pieno nella fase di riscaldamento e ne venga reimmessa di nuova in fase di raffreddamento; nella figura sono riportati anche gli accessori di cui il vaso deve essere dotato.

Vaso di espansione aperto.

Il vaso, i tubi di sicurezza e di troppo pieno devono essere protetti dal gelo. Nel caso di impianti con più caldaie è buona norma dotare ogni caldaia di un proprio vaso di espansione, rendendo così possibile l’esclusione di una o più caldaie.

Vasi di espansione aperti per tre distinti generatori.

Negli impianti di riscaldamento ad acqua calda con vaso di espansione aperto, aventi pressione di esercizio non superiore a 5 bar, occorre prevedere:
– tubo di sicurezza fra vaso e generatore con diametro correlato alla sua lunghezza virtuale e alla potenza termica del generatore (vedi: “Norme di sicurezza per apparecchi contenenti liquidi caldi sotto pressione”);
– interruttore termico automatico di regolazione;
– interruttore termico automatico di blocco;
– termometro con pozzetto per il termometro di controllo
– manometro con flangia per manometro di controllo.

Nelle figure sottostanti sono riportati alcuni possibili schemi di collegamento; quello della  figura del collegamento del vaso di espansione con tubazioni di carico e di sicurezza, è tipicamente impiegato nella norma DIN tedesca e i diametri dei tubi, stante questa norma, si possono calcolare con le seguenti espressioni:
– per il tubo di sicurezza che, in caso di sovratemperatura, deve poter sfogare l’eventuale vapore prodotto in caldaia.

– per il tubo di carico o di espansione che deve consentire il rapido riempimento della caldaia con acqua proveniente dal vaso

– dove P è la potenza del o dei generatori espressa in kW.

Collegamento del vaso di espansione aperto a una caldaia.

Collegamento del vaso di espansione con tubazioni di carico e di sicurezza.

Nel caso di più generatori di calore che alimentano uno stesso impianto è ammessa una tubazione di sicurezza dimensionata per la potenzialità nominale complessiva dei generatori; solo i tratti di collegamento di ogni singolo generatore al tubo di sicurezza comune possono essere dimensionati per la potenza singola. Ove si renda necessario separare i generatori dal vaso di espansione, si devono installare, sulle tubazioni di collegamento di ogni generatore alla tubazione di sicurezza, valvole a tre vie con sezione di passaggio non inferiore a quelle del tubo di sicurezza di pertinenza del generatore in modo da assicurare comunque il collegamento fra il generatore e l’atmosfera o mediante il tubo di sicurezza o attraverso il tubo di sfogo allacciato alla terza via.

Collegamento di due generatori di calore a un’unica tubazione di sicurezza.

Il tubo di sfogo deve essere convogliato per impedire che venga arrecato danno alle persone in caso di scarico di acqua. Negli impianti con pressione di esercizio superiore a 5 bar, deve essere installato un secondo interruttore termico automatico di blocco, indipendente dal primo. Per quanto riguarda la posizione della pompa di circolazione, rispetto al punto di collegamento del vaso di circuito, occorre porre molta attenzione perché le pompe di circolazione devono essere installate nella rete di distribuzione dell’acqua in modo da soddisfare ad alcune esigenze manuali e tecniche.  Va osservato prima di tutto che su nessuno dei due tubi di sicurezza, di cui è dotato un impianto con vaso aperto, possono essere introdotti organi di strozzamento: ebbene, una pompa, di qualunque tipo essa sia, è considerata un organo di strozzamento e deve, quindi, essere installata in zone che siano al di fuori dei collegamenti con il vaso. Un altro aspetto importante che deve essere valutato è quello relativo all’installazione della pompa nei confronti della caldaia, e, cioè in aspirazione (sulla mandata) o in pressione (cioè sul ritorno).

Le prescrizioni di sicurezza non danno disposizioni in merito: il problema deve essere risolto in modo da soddisfare la condizione che nessun punto della rete si trovi in depressione. Le reti, infatti, non sono mai perfettamente a tenuta nei confronti dell’aria, che può penetrare, per esempio, se un corpo scaldante va in depressione, attraverso il premistoppa della valvola di regolazione. Per verificare la pressione nei punti critici della rete occorre esaminare il diagramma delle pressioni lungo il circuito, combinato con lo schema di principio dell’installazione. Si prendano in esame, pertanto, i due casi di pompa sulla partenza  e pompa sul ritorno.

Pompa sulla partenza.  Scheda di installazione e diagramma delle pressioni.

Pompa sul ritorno.  Schema di installazione e diagramma dell pressioni.

Nel caso di pompa sulla partenza nel punto A, dove si collega il vaso di espansione, regna la pressione statica H_A. All’uscita dalla pompa il valore della pressione si è accresciuto dell’altezza manometrica della pompa, poi man mano che l’acqua fluisce nel circuito, la pressione diminuisce fino al valore che essa ha all’aspirazione della pompa. La spezzata 1.2.3.4.5.1. è la rappresentazione grafica delle variazioni della pressione lungo il circuito. Il punto 4 rappresenta la pressione nel radiatore M. Quando l’acqua circola, la pressione è positiva; nel caso, invece, di valvola chiusa, allora la pressione nel radiatore è quella che si ha nel ritorno, rappresentata dal punto 5, la cui ordinata è, comunque superiore di Δ alla pressione statica H_A, definita univocamente dal livello dell’acqua nel vaso di espansione. Nel punto 5, cioè regna una pressione H_A + ∆.

Esaminando ancora da più vicino il problema ci si accorge che non è il radiatore più basso quello in pericolo, bensì quello più in alto perché in questo la pressione è inferiore di HN rispetto al radiatore più basso e tale pressione vale:

H_A + Δ – H_N = (H_A – H_N) + Δ

Il termine (H_A – H_N) corrisponde alla differenza fra l’altezza dell’acqua nel vaso e l’altezza del radiatore N. Anche in questo caso, comunque, la pressione è positiva.

Si passi a esaminare ora il caso della pompa sul ritorno.
La linea da 1 a 5 rappresenta anche qui l’andamento della pressione fra il radiatore M e la pompa, ma si nota che essa è posta al di sotto della linea della pressione statica fra il radiatore M e la pompa, ma si nota che essa è posta al di sotto della linea della pressione statica di un valore pari all’altezza monometrica della pompa.
La pressione in 5 vale H_A – H_P + Δ.  La pressione nel radiatore più minacciato e, cioè, il più alto, è:

H_A – H_P + Δ – H_N = (H_A – H_N) – H_P + Δ

Perché questo valore non diventi negativo (e cioè depressione nel radiatore più alto) è necessario (se si trascura Δ per margine di sicurezza) che H_A – H_N , cioè la differenza di livello fra il vaso e il radiatore più alto, sia maggiore della prevalenza della pompa.  In alcuni edifici nei quali H_A – H_N è di 3 : 5m è probabile che una pompa, con prevalenza leggermente inferiore, sia in grado di assicurare la circolazione dell’acqua nel circuito, senza depressione.
Occorre, quindi, valutare con attenzione caso per caso l’opportunità della disposizione della pompa sulla mandata o sul ritorno. La pompa sull’andata garantisce che nessun punto della rete vada in depressione, d’altro canto gli inconvenienti potrebbero essere quelli di avere la pompa attraversata da acqua ad alta temperatura e di avere una elevata pressione in rete.
Nella figura sottostante, è schematicamente riportata la strumentazione richiesta dalle norme IPESL per un impianto con vaso aperto.

Strumentazione di sicurezza secondo norme ISPESL – vaso aperto.

Vaso di espansione chiuso
Abbiamo già precedentemente visto, all’inizio del capitolo, come calcolare la capacità di un vaso chiuso; nell’espressione valida per un vaso chiuso senza diaframma, le pressioni assolute da considerare sono:
P_i = pressione assoluta iniziale corrispondente alla pressione idrostatica nel punto in cui viene installato il vaso misurata in bar (kg/cm²), aumentata di una quantità stabilita dal progettista e, comunque, non inferiore a 0,15 bar;
P_f = pressione massima assoluta di esercizio, in bar, pari alla pressione di taratura della valvola di sicurezza, aumentata della sovrappressione della valvola stessa e diminuita di una quantità corrispondente al dislivello di quota esistente tra vaso di espansione e valvola di sicurezza, se quest’ultima è posta più in basso ovvero aumentata, se posta più in alto.

Impianto con vaso chiuso senza diaframma.

Per i vasi chiusi con diaframma, fermo restando il significato di P_f, la pressione P_i da introdurre nella funzione per vaso chiuso con diaframma è:
P_i = pressione assoluta in bar a cui è precariato il cuscino di gas, pressione che non potrà risultare inferiore alla pressione idrostatica nel punto in cui viene installato il vaso.

Impianto con vaso chiuso con diaframma.

Per i vasi senza diaframma, la loro espressione è applicabile solo per i vasi autopressurizzati nei quali, cioè, la pressione prima del riempimento è eguale a quella atmosferica. Per i vasi prepressurizzati, nei quali cioè la pressione prima del riempimento è maggiore di quella atmosferica, e a pressione variabile durante il funzionamento, la formula da impiegare per la verifica è quella per il vaso chiuso con diaframma, anche se trattasi di vasi senza diaframma, aumentando il volume risultante dal calcolo di una quantità pari al volume dell’acqua iniziale contenuta nel vaso a impianto freddo; in tal caso il progettista deve indicare, oltre alla pressione di precarica e al volume totale del vaso, anche il volume occupato dal gas a impianto freddo.

Per i vasi prepressurizzati a pressione costante e livello variabile durante il funzionamento, il volume utile del vaso deve essere calcolato come per i vasi aperti. Per i vasi prepressurizzati a pressione e livello  costanti durante il funzionamento, il volume del vaso deve essere sufficiente per contenere le escursioni necessarie per l’intervento dei dispositivi di scarico e di reintegro dell’acqua.

Negli impianti di riscaldamento con vaso chiuso di potenza fino a 350 kW, con pressione di esercizio non superiore a 5 bar, è necessario prevedere:
– valvola di sicurezza, tale da consentire lo scarico di un quantitativo orario di vapore (kg/h) non inferiore a P/0,58 (dove P è la potenza del generatore in kW);
– interruttore termico automatico di regolazione;
– interruttore termico automatico di blocco;
– pressostato di blocco;
– termometro con pozzetto per termometro di controllo;
– manometro con flangia per manometro di controllo.

Anche con vasi di espansione chiusi è possibile l’esclusione dei generatori di calore purchè sulla tubazione di collegamento del generatore al vaso sia installata una valvola a tre vie con le stesse caratteristiche di cui si è detto a proposito del vaso aperto e tale da assicurare il collegamento del generatore, o con il vaso di espansione o con l’atmosfera. Negli impianti di riscaldamento con vaso chiuso e pompa di circolazione l’apporto di calore deve essere automaticamente interrotto nel caso di arresto della pompa e ciò può essere attuato con asservimento elettrico pompa-bruciatore oppure mediante flussostato.

I generatori degli impianti con vaso chiuso pressurizzato a pressione costante e livello variabile, ovvero a pressione e livello costanti devono essere protetti con valvola di intercettazione del combustibile oppure con valvola di scarico termico poiché in questi impianti non sussiste correlazione fra aumento della temperatura e della pressione. Per impianti con pressione di esercizio superiore a 5 bar deve essere installato un secondo termostato di blocco indipendente dal primo.
Nella figura è riportata schematicamente la strumentazione richiesta per impianti con vaso chiuso.

Oltre a quanto già descritto si nota:
– gruppo di riempimento automatico, che provvede a ridurre la pressione di alimentazione dell’acquedotto e a reintegrare a freddo le eventuali perdite d’acqua; il gruppo di riempimento è costituito da riduttore di pressione, valvola di riempimento, valvola di ritegno e filtro.
– separatore di aria con valvola di sfogo automatica e galleggiante.

Strumentazione di sicurezza e controllo per impianto di riscaldamento con vaso chiuso (la simbologia utilizzata è quella prevista nelle norme).

• 1 bruciatore
• 2 caldaia
• 3 valvola di sicurezza
• 4 valvola di intercettazione combustibile;
• 5 vaso di espansione a membrana;
• 6 interruttore termico automatico di regolazione;
• 7 interruttore automatico di blocco;
• 8 pressostato di blocco;
• 9 indicatore di pressione;
• 10 indicatore di temperatura;
• 11 pozzetto;
• 12 scarico accessibile e visibile;
• 13 pompa del circuito utilizzatore;
• 14 riduttore di pressione;
• 15 valvola di non ritorno;

16 contatore acqua(eventuale).

 

Testo tratto dal “Manuale del termotecnico” autore Nicola Rossi, editore Hoepli.