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Cómo calcular el volumen de un vaso de expansión

13 de julio de 2021

Un vaso de expansión es un elemento utilizado en circuitos hidráulicos. Su misión es absorber el aumento de volumen que se produce al expandirse el fluido del circuito, cuando este se calienta. Esto ocurre, por ejemplo, en los circuitos de calefacción.

Llenamos el circuito cuando este está frío, y al calentarse, se produce un aumento de volumen. El vaso de expansión tiene la función de absorber esa diferencia de volumen para que la presión del circuito se mantenga estable.

Como el contacto del agua con el aire provoca disolución de gases, contaminación y aumenta el riesgo de corrosión, se suelen utilizar vasos de expansión cerrados con membrana.

Los vasos de expansión se prescriben en base a su volumen total, su presión de llenado inicial (dado que vienen de fábrica con gas inerte), su presión máxima de servicio y su aplicación (climatización, agua caliente sanitaria, solar…)

Vamos calcular el volumen de un vaso de expansión cerrado con membrana para una instalación de agua caliente o calefacción.

Para el cálculo de un vaso de expansión cerrado necesitamos los siguientes datos:

  • V: Volumen de agua contenido en la instalación (V en litros)

Es la suma de los volúmenes de todos los elementos del circuito hidráulico. Debemos tener en cuenta tuberías, depósitos, colectores, unidades terminales, etc.

En instalaciones existentes donde resulte difícil medir podemos estimar unos 14 litros de agua por kW de potencia de los generadores. En proyectos de nuevas instalaciones deberemos calcular el volumen real.

También  se puede calcular de forma aproximada con la fórmula:

Donde Q es la potencia del generador en kW

  • t: Temperatura máxima del circuito (ºC).

En circuitos de calefacción, lo más conservador es emplear la temperatura de impulsión de los generadores (calderas, bombas de calor), la máxima que puede alcanzar el agua, calculando por exceso el depósito de expansión. También podríamos utilizar la media entre la temperatura de ida y de retorno, que parece más realista.

En instalaciones que bombeen exclusivamente agua fría, lo normal es usar la máxima temperatura ambiente que prevemos en la instalación. Esto se debe a que el agua tiene su volumen mínimo en torno a los 4ºC. Si desconocemos este valor, usaremos como temperatura máxima 30ºC.

  • P0: Presión de llenado del circuito en el punto donde se instala el vaso (bar).

Este valor viene condicionado por la presión de llenado en el punto más alto del circuito y la altura de este punto sobre el vaso.

Imaginemos un edificio de 5 plantas, en el que la sala de calderas se encuentra en la planta baja. Como lo habitual y más aconsejable es instalar el vaso en el retorno de la bomba de circulación, el vaso también estará en la planta baja.

Queremos garantizar que el radiador situado en el punto más desfavorable tenga una presión mínima de llenado de 0,5 bar en frío, para facilitar la purga de gases del circuito.

Además el radiador más alto está a 15m de altura sobre el vaso. Con el circuito frío y las bombas paradas la presión de llenado manométrica en el vaso de expansión será:

  • C: Coeficiente de expansión (adimensional)

El coeficiente de expansión Ce es función de la temperatura máxima. En la norma aparecen varias expresiones para su cálculo. La más sencilla es la siguiente:

Ce= (3,24 • t2 + 102,13 • t – 2708,3) • 10-6

t: Temperatura máxima del circuito (ºC).

La fórmula es válida entre 30ºC y 120ºC. Para otros valores de temperatura debe consultarse la UNE 100.155.

La norma prevé la corrección del Coeficiente de expansión si se utiliza etilenglicol como anticongelante. Solo en este caso, deberemos multiplicar el coeficiente de expansión por el valor obtenido de la tabla siguiente:

  • C: Coeficiente de presión (adimensional)

El coeficiente de expansión Cp es función de la presión máxima y mínima de la instalación. Siendo su expresión:

Siendo:

Cp: Coeficiente de presión (adimensional)

PM: Presión absoluta máxima de la instalación (bar)

Pm: Presión absoluta mínima de la instalación (bar)

Para el cálculo de la presión absoluta máxima partimos de la presión de tarado de la válvula de seguridad. Dicha presión de tarado deberá ser menor o igual que la presión máxima de servicio del elemento menos resistente de la instalación, que suele ser la caldera o bomba de calor.

Una expresión válida es la siguiente, consistente en considerar el 90% de la presión de tarado de la válvula de seguridad (manométrica) y pasarla a presión absoluta:

Siendo:

PM: Presión absoluta máxima de la instalación (bar)

Pvs: Presión de tarado de la válvula de seguridad (bar)

Por su parte la presión mínima será igual a la presión absoluta de llenado en el punto donde se instala el vaso. Recordad que sumamos uno para pasar presiones manométricas en bar a presiones absolutas:

P= Pllenado + 1

La fórmula de cálculo del volumen del vaso es:

Vt = V x Ce x Cp

donde:

Vt es el volumen total del vaso de expansión.

V es el volumen total de agua en el circuito.

Ce es el coeficiente de dilatación del fluido.

Cp es el coeficiente de presión del gas (aire o nitrógeno, según con qué llenemos el vaso).

Ejemplo de cálculo
Una instalación de 25 kW. Las temperaturas de ida y retorno son 80 y 60 ºC, respectivamente. La presión de tarado son 3 bar y la de trabajo de 1,5 bar 

1 Volumen de agua
Como desconocemos los elementos y características de la instalación, optaremos por un
Cálculo aproximado utilizando la expresión:


2 Coeficiente de expansión

Ce= (3,24 • t2 + 102,13 • t – 2708,3) • 10-6Ce= 0.026

3 Coeficiente de presión 



Cp = 2
4 Volumen del vaso
Vt = V•Ce•CPVt = 323•0.026•2 = 17 litros.
Autor:
Manel Marquez
Ingeniero Industrial
Profesor en CTEEP
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