Il vaso di espansione è un componente fondamentale negli impianti di riscaldamento, svolgendo un ruolo cruciale nella gestione dei cambiamenti di volume del fluido termovettore dovuti alle variazioni di temperatura. La sua funzione principale è quella di consentire all’acqua, un fluido incomprimibile, di espandersi o contrarsi, mantenendo così la pressione all'interno del sistema entro limiti di sicurezza e garantendo un funzionamento stabile ed efficiente.
Funzionamento Termico e Idraulico
Dal punto di vista termico, il vaso di espansione compensa le variazioni di volume dell'acqua causate dal riscaldamento e dal raffreddamento. L'acqua, infatti, aumentando di temperatura, espande il suo volume. Viceversa, quando si raffredda, si contrae. Il vaso di espansione assorbe questo volume in eccesso o lo rilascia quando necessario, evitando picchi di pressione pericolosi. Per l'acciaio, il coefficiente di dilatazione termica (α) è di circa 1,2 .
Dal punto di vista idraulico, il vaso di espansione determina e fissa la pressione di riferimento del sistema. Esso agisce come un "polmone", ammortizzando gli sbalzi pressori e prevenendo i colpi d'ariete. Senza un vaso di espansione adeguato, l'aumento di pressione dovuto al riscaldamento dell'acqua potrebbe superare i limiti di sicurezza, causando l'attivazione della valvola di sicurezza con conseguente scarico di acqua e potenziale danno all'impianto.
Tipologie di Vasi di Espansione: Aperto e Chiuso
Esistono due tipologie principali di vasi di espansione: a vaso aperto e a vaso chiuso.
Vaso di Espansione Aperto
Il vaso di espansione aperto è una soluzione tradizionale, particolarmente apprezzata nei sistemi con caldaie a combustibili solidi e caminetti, ed è destinato esclusivamente agli impianti aperti. In questo tipo di impianto, è presente una vaschetta, posta nel luogo più alto dell'impianto, perché il fluido è a diretto contatto con l'atmosfera. Questo sistema è considerato perfettamente sicuro, non necessita di meccanismi particolari e non richiede manutenzione straordinaria.
- Collegamento: Le vasche sono collegate alla caldaia tramite un tubo di carico e un tubo di sicurezza opportunamente dimensionati in base alla potenza della caldaia. Questi tubi partono dalla caldaia e raggiungono il vaso di espansione collocato nel punto più in alto dell'impianto.
- Funzionamento: Il vaso, posizionato nel punto più alto del circuito di riscaldamento, funge da cuscinetto, assorbendo l'eccesso di pressione. Quando la temperatura dell'acqua aumenta, il vaso consente il rilascio dell'eccesso di pressione, proteggendo il sistema da potenziali danni. Nei sistemi di riscaldamento centrale, il vaso di espansione aperto svolge un ruolo chiave come guardiano della sicurezza.
- Tubo di risalita: Un elemento indispensabile di ogni impianto di riscaldamento a vaso aperto è il tubo di risalita. Il suo compito principale è collegare la caldaia a combustibile solido al vaso di espansione aperto, consentendo il trasporto dell'eccesso di vapore acqueo al serbatoio. In questo modo, la pressione nel sistema è efficacemente controllata, prevenendo potenziali danni.
- Tubo di troppo pieno: Un altro elemento chiave del vaso di espansione aperto è il tubo di troppo pieno, che funge da ulteriore protezione. Il suo compito principale è scaricare l'eccesso di vapore acqueo dal vaso di espansione alla rete fognaria.
- Dimensionamento: Il vaso di espansione deve essere dimensionato dal termotecnico in base alla capacità e dimensione dell'impianto termico in modo da assorbire gli aumenti di volume che subisce il fluido termico quando aumenta di temperatura. Occorre prestare molta attenzione quando si effettuano ridimensionamenti all'impianto termico, come l'aggiunta di una caldaia o di elementi riscaldanti, per verificare che il vaso di espansione sia adeguato alle nuove dimensioni dell'impianto e, se inadeguato, sostituirlo con uno idoneo.
Vaso di Espansione Chiuso
Il vaso di espansione chiuso, noto anche come vaso a membrana, è una soluzione moderna e tecnologicamente avanzata. È ideale per impianti con caldaie a gas e a gasolio. Grazie alla sua struttura, protegge meglio il sistema dall’aumento incontrollato della pressione, rendendolo la scelta perfetta per gli impianti di riscaldamento moderni e automatizzati.
- Funzionamento: Nell'impianto termico a vaso chiuso, l'espansione dell'acqua avviene all'interno di recipienti ermeticamente chiusi e in pressione, collocati di solito nel locale dove si trova la caldaia. Questi recipienti sono collaudati per resistere alle temperature raggiunte dall'acqua calda e alle relative pressioni. A impianto freddo, la zona d'aria viene messa in pressione ad un valore tale da essere superiore alla pressione esistente nell'impianto termico per via del dislivello idrostatico. La membrana elastica interna andrà a compensare eventuali aumenti di pressione e, di conseguenza, di volume nella camera con il fluido del circuito.
- Tipologie di vasi chiusi:
- Autopressurizzati: La pressione nel recipiente è data dall'acqua contenuta nell'impianto, che entrando nel recipiente comprime l'aria in esso contenuta fino al raggiungimento dell'equilibrio idrostatico.
- Pressurizzati a membrana: Vengono precaricati in pressione per eguagliare o superare la pressione dell'impianto.
- Manutenzione e Costi: Questo sistema richiede una maggiore manutenzione e ha costi più elevati rispetto al vaso aperto.
- Posizionamento: Può essere posto in qualsiasi punto dell'impianto di riscaldamento, seguendo però precise avvertenze in fase di installazione. È consigliabile installare un impianto a vaso chiuso solo quando non si ha la possibilità di utilizzarne uno a vaso aperto.
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 a pressione costante e livello variabile durante il funzionamento, il volume utile del vaso deve essere calcolato come per i vasi aperti.
Installazione e Sicurezza
L'installazione del vaso di espansione, sia esso aperto o chiuso, richiede precisione e una piena comprensione delle sue funzioni per garantire la sicurezza e l'efficienza dell'impianto di riscaldamento.
Posizionamento
Il vaso di espansione aperto deve essere installato nel punto più alto del circuito di riscaldamento, poiché solo in questo modo può funzionare correttamente. Questa posizione consente lo scarico efficiente dell'eccesso di vapore acqueo, il che è fondamentale per mantenere una pressione stabile nel sistema. Non è solo un requisito tecnico, ma anche il fondamento di un impianto sicuro e affidabile.
Il vaso di espansione chiuso, invece, può essere installato in diversi punti dell'impianto, ma è fondamentale rispettare precise avvertenze tecniche durante l'installazione per garantirne il corretto funzionamento.
Collegamento e Tubazioni
Il collegamento del vaso di espansione è una fase cruciale. Nei sistemi a vaso aperto, il vaso, i tubi di sicurezza e di troppo pieno devono essere protetti dal gelo. È fondamentale osservare che su nessuno dei due tubi di sicurezza, di cui è dotato un impianto con vaso aperto, possono essere introdotti organi di strozzamento. 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.
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. Il tubo di sfogo deve essere convogliato per impedire che venga arrecato danno alle persone in caso di scarico di acqua.
Tutti i vasi chiusi devono essere collegati alla caldaia rispettando le stesse prescrizioni di quelli aperti, cioè senza valvole di intercettazione.
Pompa di Circolazione e Pressione nel Circuito
La posizione della pompa di circolazione, rispetto al punto di collegamento del vaso di circuito, richiede molta attenzione. Le pompe di circolazione devono essere installate nella rete di distribuzione dell’acqua in modo da soddisfare esigenze manuali e tecniche, con l'obiettivo di assicurare 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. Nel caso di pompa sulla partenza nel punto A, dove si collega il vaso di espansione, regna la pressione statica HA. 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. rappresenta graficamente le variazioni della pressione lungo il circuito.
Normative e Prescrizioni di Sicurezza
Le prescrizioni di sicurezza non danno disposizioni in merito alla posizione esatta della pompa, ma il problema deve essere risolto in modo da soddisfare la condizione che nessun punto della rete si trovi in depressione. Negli impianti con pressione di esercizio superiore a 5 bar, deve essere installato un secondo interruttore termico automatico di blocco, indipendente dal primo.
Il collegamento del vaso di espansione richiede attenzione: assicurarsi che il vaso sia installato nel punto più alto del circuito di riscaldamento e verificare accuratamente la tenuta di tutti i collegamenti al termine dell'installazione.
Manutenzione del Vaso di Espansione
La pressione del vaso di espansione della caldaia deve mantenersi in un range ideale che va da 0,8 a 1,2 bar. Una pressione troppo alta o troppo bassa può causare seri problemi al funzionamento della caldaia, portandola in blocco per alta pressione o causando perdite d'acqua consistenti.
Caricare il vaso di espansione della caldaia è un'operazione relativamente semplice. Prima di procedere, è necessario scaricare tutta la pressione in caldaia per assicurarsi che nessuna pressione agisca sulla membrana del vaso, falsificando la lettura del manometro del compressore. Le caldaie più vecchie potrebbero avere il vaso posizionato in modo scomodo, mentre quelle di nuova generazione lo hanno solitamente più accessibile.
È consigliabile caricare il vaso di espansione caldaia all'inizio di ogni stagione invernale e, in generale, controllare la sua pressione almeno una volta all'anno durante la manutenzione ordinaria dell'impianto.
Segnali di Problemi al Vaso di Espansione
Se si rende necessario gonfiare frequentemente il vaso di espansione per mantenere stabile la pressione in caldaia, questo è un sintomo che la membrana interna si sta usurando. Sia la bassa che l'alta pressione continua in caldaia possono essere responsabili del danneggiamento del vaso di espansione. In particolare, se la sua membrana si buca, il vaso non sarà più in grado di regolare la pressione, con conseguenti continue perdite d'acqua.
Per controllare se il vaso di espansione è bucato, si può rimuovere il cappuccio del valvolino e premere sul perno con un cacciavite. Se fuoriesce acqua, la membrana è danneggiata.
Gestione della Potenza Residua e Dispositivi di Sicurezza
Nei generatori degli impianti con vaso chiuso pressurizzato, sia a pressione costante e livello variabile, sia a pressione e livello costanti, i generatori 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.
Un dispositivo di sicurezza automatico, quando viene raggiunta la temperatura massima ammissibile dell'acqua, provoca l'interruzione dell'apporto di calore al generatore o l'interruzione dell'alimentazione del combustibile e/o dell'adduzione dell'aria comburente.
Dissipazione della Potenza Residua
La potenza termica che viene ancora trasferita all'acqua dopo le interruzioni delle alimentazioni del generatore è definita potenza residua. Per impianti fino a 100 kW, il dispositivo di dissipazione della potenza residua può essere costituito dalle sole valvole di scarico termico. Per potenze superiori, il dispositivo deve essere costituito da uno scarico di sicurezza termico in combinazione con uno scambiatore di calore integrato nella caldaia. Tra gli scambiatori ammessi sono inclusi i riscaldatori d'acqua ad accumulo o a circolazione, purché siano progettati e configurati in modo che il calore possa essere trasferito senza ausiliari addizionali ed energia esterna.
Nel caso in cui la pressione nel generatore venga assicurata mediante pompe, il generatore stesso deve essere collegato ad un vaso chiuso a pressione costante e livello variabile, mediante una valvola di sfioro idonea a scaricare il volume di espansione.