Vaso de expansão em sistema solar: por que ele estoura e como se calcula o volume

O vaso de expansão é um dos componentes mais baratos de um sistema de aquecimento de água e um dos que mais voltam como chamado de assistência técnica. Quase sempre pela mesma razão: alguém dimensionou o vaso pelo volume de água que o sistema dilata. O volume que dilata é uma parte da conta. A outra parte, a que define o tamanho real do vaso, é a faixa de pressão em que ele tem permissão para trabalhar.

Quanta água o sistema realmente ganha

Água quente ocupa mais espaço que água fria, e a relação não é linear. A massa específica cai de 998,2 kg/m³ a 20 °C para 977,7 kg/m³ a 70 °C. Em termos de volume:

A massa é constante. O que muda é o volume específico, e é ele que precisa ir para algum lugar.

Um sistema com 1.000 L de água que passe de 20 °C a 70 °C ganha cerca de 21 litros. É um número pequeno, e é justamente essa pequenez que leva ao erro de especificar um vaso de 24 L ou de 25 L para esse sistema. Um vaso de 24 L não consegue aceitar 21 litros de água.

O fator de aceitação

Um vaso de expansão de membrana é uma câmara dividida em duas: de um lado a água do sistema, do outro um gás pressurizado. A água só entra no vaso comprimindo esse gás. Pela lei dos gases, o gás só se comprime se a pressão subir, e a pressão tem um teto: a válvula de segurança.

Isso significa que a capacidade útil do vaso é apenas a fração do seu volume total que o gás consegue ceder entre a pressão de trabalho do sistema e a pressão máxima admitida. Essa fração é o fator de aceitação:

As pressões entram em valor absoluto porque é a pressão absoluta que governa o comportamento do gás. Trabalhar com as pressões manométricas nessa fração é um dos erros silenciosos mais comuns, e produz um vaso menor que o necessário.

O mesmo sistema, três cenários

Sistema de 1.000 L, enchido a 20 °C, com uma margem de 0,3 kgf/cm² antes de encostar na válvula de segurança:

Pressões em kgf/cm², manométricas, como aparecem na placa do pressurizador e da válvula. A conversão para absoluta usa a aproximação usual de 1 atm ≈ 1 kgf/cm². A coluna de dilatação é a expansão térmica pura; sobre ela ainda se costuma aplicar uma margem de segurança antes de fechar o volume do vaso. Os volumes da última coluna são o resultado direto da fórmula acima, antes de arredondar para um modelo comercial.

A terceira linha é a mais instrutiva. A dilatação não mudou nada: continua sendo os mesmos 21 litros. O que mudou foi o espaço entre a pressão de trabalho e a válvula de segurança, que encolheu de 2,0 para 1,0 kgf/cm². O vaso necessário mais que dobrou, de 58 para 141 litros.

É daí que vem o padrão que confunde tanta gente em obra: dois prédios com o mesmo reservatório, a mesma temperatura de trabalho e a mesma água precisam de vasos de porte muito diferente, só porque um tem o pressurizador ajustado mais alto. O vaso de expansão responde ao ajuste de pressão da instalação, e não apenas ao volume de água.

A pré-carga, e por que ela não é opcional

O vaso sai de fábrica com uma pré-carga qualquer, normalmente 1,5 kgf/cm². A instalação tem que ajustá-la à pressão de trabalho do sistema. A prática de projeto usa a pressão de trabalho acrescida de uma pequena folga, da ordem de 0,5 kgf/cm².

As duas formas de errar isso são simétricas:

• Pré-carga baixa demais. A membrana começa deslocada já no enchimento, com água dentro do vaso antes mesmo de o sistema aquecer. A capacidade útil que sobra para a dilatação é menor que a calculada, e a válvula de segurança abre antes do previsto.
• Pré-carga alta demais. O vaso só começa a aceitar água depois que a pressão do sistema já subiu bastante. Parte da faixa de pressão disponível é gasta antes de o vaso entrar em ação, com o mesmo resultado prático.

A pré-carga é medida com o lado da água despressurizado. Medir com o sistema cheio e pressurizado devolve a pressão da instalação, não a do gás. É um detalhe de comissionamento que raramente consta do projeto, e que decide se o vaso dimensionado vai funcionar como o papel diz.

Por que o vaso falha, na ordem em que isso acontece

• Volume calculado como se fosse a dilatação. O caso do vaso de 24 L para 21 litros de dilatação. O sistema vive estourando a válvula de segurança, perde água a cada ciclo e o instalador troca a válvula achando que ela está defeituosa.
• Volume do sistema subestimado. O cálculo considerou apenas o reservatório e esqueceu os coletores e a tubulação. Em um sistema com área de coletor relevante e prumadas longas, isso não é um arredondamento.
• Temperatura máxima otimista. Dimensionar para 60 °C porque é a temperatura de trabalho do reservatório ignora o que acontece em um dia de verão sem consumo, com o sistema em estagnação. Entre 70 °C e 80 °C a dilatação sobe 30%.
• Válvula de segurança ajustada perto demais da pressão de trabalho. O cenário da terceira linha da tabela. Resolver isso aumentando o ajuste da válvula não é uma opção: o limite é a pressão máxima admissível do reservatório e dos componentes.
• Pré-carga nunca verificada. Um vaso perde gás ao longo dos anos, por difusão pela membrana e pela válvula de enchimento. Um vaso corretamente dimensionado e nunca inspecionado se comporta, depois de alguns anos, como um vaso subdimensionado.

Detalhes de instalação que mudam o resultado

O vaso vai no lado frio do circuito e, quando há bomba, na sucção dela, de modo que a bomba empurre a água para longe do ponto de conexão. O motivo é que o ponto onde o vaso se conecta é o único do circuito em que a pressão não muda quando a bomba liga: é a partir dele que a altura manométrica se distribui. Com a bomba empurrando para longe do vaso, essa altura soma à pressão do restante do circuito. Com o vaso no recalque, ela subtrai, e a pressão cai justamente nos pontos altos da instalação, onde pode chegar perto de zero e deixar entrar ar. A conexão com o sistema não deve ter registro que possa ser fechado por engano: um vaso isolado do circuito é equivalente a um vaso inexistente, com a diferença de que ninguém percebe.

Vale lembrar também que a NBR 15569 trata a proteção contra sobrepressão como parte do projeto do sistema de aquecimento solar, e não como um acessório de instalação. O vaso, a válvula de segurança e o ajuste de pressão formam um conjunto, e mexer em um sem recalcular os outros desfaz o dimensionamento.

O resumo em quatro perguntas

• O volume de água considerado inclui reservatório, coletores e tubulação?
• A temperatura máxima adotada cobre a condição mais quente que o sistema realmente atinge, e não apenas a de trabalho?
• O fator de aceitação foi calculado com pressões absolutas, com a pressão de trabalho real da instalação e com margem antes da válvula de segurança?
• A pré-carga especificada no projeto foi conferida em obra, com o lado da água despressurizado?

Se as quatro respostas forem sim, o vaso vai cumprir a função pela qual foi comprado. Esse tipo de verificação cruzada é o mesmo hábito que impede uma planilha de escritório de errar em silêncio e que, em um anel de recirculação, obriga a conferir dois critérios independentes antes de escolher a bomba. Em aquecimento de piscina, o papel equivalente cabe à evaporação, que decide o equipamento mesmo sem aparecer na primeira conta que se faz.

O modelo de cálculo que o Dimensol usa foi desenvolvido por Luciano Torres Pereira (CREA-MG), um dos responsáveis pelo desenvolvimento da NBR 15569, a norma brasileira de aquecimento solar.