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Sumario general
- Objetivos
- Conocimientos
- Introducción
- Contenidos generales
- Simbología
- Elementos auxiliares
- Calefacción por suelo radiante
- Otros sistemas de calefacción
- Resumen de contenidos
- Autoevaluación
- Respuestas de actividades
- Respuestas de autoevaluación
Al finalizar el estudio de esta unidad serás capaz de:
³ Conocer distintos sistemas de calefacción: por suelo radiante, por aire caliente, por unitermos y mediante fan-coils. Su configuración, partes y componentes, así como los criterios a seguir para la selección y el correcto montaje de los mismos. ³ Analizar distintas configuraciones de instalaciones de calefacción, seleccionando la más adecuada en función del ámbito de aplicación, las necesidades existentes, el límite económico y la normativa aplicable. ³ Realizar los cálculos necesarios para seleccionar los distintos componentes de una instalación de calefacción. ³ Diseñar una instalación de calefacción por suelo radiante para una vivienda unifami- liar a partir de los planos constructivos de la misma, hallando previamente la carga térmica del local y seleccionando los componentes adecuados.
Objetivos
Contenidos generales
En el siglo I d.C. (hace casi 2.000 años), nuestros an- tepasados los romanos ya utilizaban un método de calefacción al que denominaban hypocastum, y que consistía en calentar el aire que circulaba a través de conductos construidos bajo el suelo de los edificios.
Sin retroceder tanto en el tiempo, algunas casas de Castilla disponían de una instalación similar a la que se llamaba “gloria”, que todavía existe en algunas casas antiguas ¿Por qué crees que la llamaban así? Con algunas diferencias, ambos sistemas serían los equivalentes a lo que hoy llamamos calefacción por suelo radiante, que es uno de los conte- nidos fundamentales de esta unidad.
Además, estudiaremos otros sistemas de calefacción: por aire caliente, unitermos y fan- coils, orientados fundamentalmente a edificios no destinados a vivienda, como naves in- dustriales, invernaderos, etc.
También analizaremos los componentes auxiliares propios de las instalaciones de calefac- ción, que son comunes a varios sistemas y sin los que éstas no funcionarían correctamente: vasos de expansión, circuladores, válvulas de seguridad, etc.
En esta unidad estudiaremos distintos componentes comunes a varios sistemas de calefac- ción y analizaremos el funcionamiento, diseño y montaje de las instalaciones de calefac- ción por suelo radiante.
Introducción
Para describir el diseño y montaje de un sistema de calefacción no siempre
bastan las palabras, en muchas ocasiones tendremos que recurrir a dibujos
que representen las instalaciones o partes de éstas.
Al igual que existen normas gramaticales y un diccionario de la lengua, será necesario establecer una serie de signos normalizados con el fin de que todos sepamos interpretar los dibujos de las instalaciones. En la tabla 1 se incluyen una serie de símbolos que utilizare- mos de ahora en adelante en la representación gráfica de instalaciones. Estos símbolos se ampliarán en unidades posteriores.
S ÍMBOLO S IGNIFICADO S ÍMBOLO S IGNIFICADO Tubería de ida Tubería de ida calorifugada
Tubería de retorno Circulador
Generador de calor / caldera Radiador de agua
Vaso de expansión cerrado Purgador
Válvula de seguridad Válvula de bola
Válvula de retención Válvula de cierre manual
Manómetro Termómetro
Separador de aire Válvula termostática
Simbología
Tabla 1: Símbolos utilizados en los diagramas de instalaciones de calefacción.
M T
T
Para evitar el fenómeno anterior, en nuestra instalación tendremos que colocar un compo- nente que se denomina vaso de expansión y que puede ser abierto o cerrado.
o Vaso de expansión abierto
Consiste en un simple depósito de acero, que se conecta hidráulicamen- te con los tubos de ida y retorno de la caldera. El depósito dispone de un rebosadero, para evacuar el agua so- brante cuando el volumen de éste aumenta, y de un tubo de comunica- ción con la atmósfera.
Debido a sus múltiples inconvenien- tes, actualmente estos vasos de ex- pansión apenas sí se emplean, pero aún existen en instalaciones antiguas, situándose en la parte más alta de forma que siempre deben estar llenos de agua.
No olvides tener cierta precaución en las instalaciones antiguas cuando en una reforma cambies el vaso de ex- pansión abierto por uno cerrado, ya que las instalaciones con vaso de expansión abierto trabajan a una presión máxima igual a la altura ma- nométrica de la misma (figura 1), mientras que cuando se emplea el vaso cerrado se suele emplear una presión mayor para dificultar la en- trada de aire (figura 2).
Si llenas entonces esa instalación a una presión superior a la que existía antes, pueden producirse fugas.
o Vaso de expansión cerrado
Consiste en un depósito estanco de acero, que en su interior lleva una membrana que se- para el circuito de agua de una cámara de nitrógeno que con el aumento de la temperatura se deforma, absorbiendo así las dilataciones del agua (figuras 3 y 4).
Fig. 1: Instalación con vaso abierto.
Presión 3 m.c.a.
3 metros
Fig. 2: Instalación con vaso cerrado.
Presión 6 m.c.a.
Vaso de expansión
Altura manométrica 1metro
A. Cálculo del vaso de expansión cerrado
Mediante el cálculo del vaso de expansión hallaremos la capacidad que deberá tener para absorber el aumento de volumen que se produce en el agua al subir la temperatura. Para el dimensionado del vaso, tal y como se cita en el RITE en la I.T. 1.3.4.2.4 Expansión, se se- guirán los criterios marcados en la norma UNE 100155.
Para llevar a cabo el cálculo tendremos que:
] Conocer los litros de agua contenidos en la instalación, para lo que se pueden emplear los siguientes métodos:
- Acudir a una tabla que nos indique el volumen de agua contenido en cada metro li- neal de tubería según su diámetro (tabla 2) y multiplicar ese valor por los metros to- tales de tubo de la instalación.
Fig. 3: Vasos de expansión cerrados. Fig. 4: Partes del vaso de expan- sión cerrado.
1. Cámara de nitrógeno. 2. Cámara de expansión de agua. 3. Orificio de conexión a la instalación. 4. Membrana especial. 5. Válvula de llenado de gas.
Además, tendremos que considerar el denominado “coeficiente de utilización”, que depende de la altura manométrica de la instalación (distancia vertical en- tre el punto más alto y más bajo) y de la presión ab- soluta 1 máxima de trabajo, que coincide con la máxi- ma presión de funcionamiento (disparo de la válvula de seguridad).
(1): Recuerda que una presión absoluta se halla sumando la presión atmosférica (1 bar aproximadamente) a la presión relativa o manométrica.
Finalmente, el volumen del vaso de expansión se halla con la siguiente expresión:
También es posible emplear para el cálculo programas informáticos, como el que puedes obtener en www.ibaiondo.com.
Pmax
r =Pmax-Pman
D ONDE r: Coeficiente de utilización P máx : Presión máxima absoluta P man : Presión manométrica absoluta
r
V Vu
v =
D ONDE Vv: Volumen del vaso de expansión cerrado
Pmáx (^) Agua
Pmáx
Vu
Nitrógeno
Pman Vv
Vamos a calcular el volumen del vaso de expansión cerrado para una instalación de calefacción de un edificio como la que se muestra en la figura. La temepratura de ida del agua se estima en 90 ºC y la de retorno en 70 ºC, siendo la presión máxima de 3 bar. Para calcular los litros totales de agua en la instalación tendremos en cuenta que está
Con ello, los resultados obtenidos sobre la cantidad de litros existentes en la ins- talación, utilizando los datos de la tabla 2 son:
DIÁMETRO M ETROS T OTALES L ITRO / M ETRO L ITROS TOTALES 1 40 metros 0,602 24, ½” 25 metros 0,213 5, 3/8” 22 metros 0,128 2, — — — 32,
Volumen total de agua = 320 + 32,215 = 352,215 litros Podemos hallar también la temperatura media del agua en la instalación, que será:
; con este dato y la gráfica de la figura 5, obtenemos: Vu = Vi x f d (%) Vu = 352,215 x 0,029 = 10,2 litros
Para hallar el coeficiente de utilización, tendremos que tener en cuenta la máxi- ma presión que se puede alcanzar en la instalación y la presión manométrica (debida a la altura) ambas en valor absoluto: Pmáx: Presión de la válvula de seguridad + Presión atmosférica = 3 + 1 = 4 bar Pman: Pres. debida a la columna de líquido + Pres. atmosf. = 1,2 +1 = 2,2 bar
(12 m de columna de agua suponen 12 m.c.a. o lo que es lo mismo 1,2 bar)
Ejemplo
12m
realizada con tuberías de acero de los diámetros y las longitudes indicadas en la tabla siguiente, y que entre la caldera y los distintos emisores el volumen de agua es de 320 litros (datos facilitados siempre por el fabricante de la caldera y de los radiadores).
80ºC
Tm =
; r
P
P P
r
máx
= máx^ − man = =
Vu 10,
] Si la presión de llenado de nitrógeno es muy alta (figura 7), la presión ejercida por el agua de la instalación al dilatar no podría vencerla y, por tanto, sería lo mismo que no haber co- locado vaso de expansión.
Como norma general, la presión de llenado del gas del vaso de expansión debe ser aproximadamente 5 m.c.a. (0,5 bar) superior a la altura manométrica de la instalación, para asegurar así que toda ella está llena de agua y facilitar la expulsión del aire que pueda haber en su interior.
Esta presión puede ser inferior a la que trae cargada el vaso de fábrica, en cuyo caso sólo tendremos que vaciar hasta lograr la adecuada a nuestra instalación, pulsando el obús de la válvula de llenado.
En caso contrario, cuando debido a una altura manométrica elevada se precise una presión mayor, lo correcto sería introducir en la cámara del vaso gas nitrógeno. Sin embargo, en la práctica resulta bastante improbable que dispongamos de dicho gas, por lo que es habitual introducir aire a través de un inflador.
Para realizar la medida de presión de llenado se ha de vaciar la instalación de agua, pues de no ser así la medida no será correcta. Para tomar la medida se emplea un manómetro analógico o digital de rango adecuado (figura 8).
Es importante recordar que al introducir aire incorporamos humedad al interior del vaso, dando lugar posteriormente a condensaciones que lo pudren.
Fig. 7: Presión de nitrógeno excesiva.
Agua de la instalación
Válvula de llenado
P LL
Fig. 8: Medida de la presión de llenado del vaso de expansión.
En la tabla 3 se ofrecen los datos de los vasos de expansión Vasoflex de Baxi-Roca, de los que se indica el volumen del vaso y otras características técnicas.
Decide la presión a la que hemos de llenar el vaso de expansión para la instala- ción representada en la figura.
Como mínimo, la presión de llenado del vaso de expansión será de: P LL = P manométrica + 5 m.c.a. = 4 + 5 = 9 m.c.a. = 0,9 bar
Ejemplo
Altura manométrica 4 metros
Tabla 3: Características de los vasos Vasoflex.
] El vaso se ha de colocar en el tubo de retorno de la caldera y cuando existan circu- ladores (prácticamente siempre en las instalaciones actuales) en la aspiración de los mismos (figura 10).
En muchas ocasiones el vaso de expansión va incluido en el interior del generador de ca- lor, lo cual evita la realización de los cálculos anteriores.
Válvula de seguridad
¿Qué ocurre si en una instalación el vaso de expansión se ha dimensionado erróneamente? ¿Y si la membrana de éste se rompe? ¿Qué ocurriría si la temperatura de la instalación su- pera el valor utilizado en el cálculo?
En cualquiera de esos casos, la dilatación sufrida por el agua en la instalación no sería absorbida por el vaso y la presión aumentaría hasta provocar una rotura.
Para evitar esto, en todas las instalaciones de calefacción se debe colocar, obligatoriamen- te, una válvula de seguridad, que expulse agua del circuito a un desagüe cuando la presión de la insta- lación sobrepase el valor de tarado de dicha válvu- la. Este valor será, como máximo, el que soporte el componente más débil de la instalación, habitual- mente el vaso de expansión o la propia caldera. Las válvulas de seguridad empleadas generalmente poseen una presión fija de disparo, no siendo ésta modificable (figura 11). Los valores de disparo habi- tuales son de 3 ó 4 bar.
Fig. 10: Ubicación del vaso en el circuito.
Vaso de Circulador expansión
Fig. 11: Válvula de seguridad.
Mediante el girado manual del volante se abre la válvula, lo que en ocasiones es útil para limpiarla de posibles impurezas incrustadas que producen goteos.
Para poder observar sin dificultad si una válvula está perfectamente cerrada o gotea, se debe conducir siempre a un desagüe empleando un embudo adecuado (figura 12).
En algunas ocasiones, ciertos componentes de la instalación poseen presiones de timbrado inferio- res a 3 bar o muy distintas de las presiones de tarado de las válvulas comerciales. En esos casos tendremos que emplear válvulas de seguridad regulables (figura 13).
En estas válvulas, al apretar el tornillo (1) se aumen- ta la presión de disparo, la cual se ha de ajustar con la válvula conectada al circuito empleando un ma- nómetro que ofrezca una lectura permanente de la presión de la instalación.
Una vez ajustada la presión de disparo, se ha de fijar ésta mediante el apriete de la tuerca (2).
Si recuerdas, en la unidad didáctica anterior se re- presentaba un generador de calor que alimentaba de agua caliente a través de una red de tuberías a los emisores.
Fig. 12: Montaje de válvulas de seguridad.
Válvula de seguridad
Embudo de desagüe
Fig. 13: Vávula de seguridad regulable.
Tornillo 1
Tuerca 2
Sin embargo este sistema presenta ciertos inconvenientes:
] Su funcionamiento es tanto más aceptable cuanto más diferencia de altura exista entre la caldera y los emisores (siempre que la caldera esté en la parte inferior), pero es muy difí- cil que el agua se mueva si la caldera y los emisores están al mismo nivel y más aún si éstos están en la parte baja de la instalación (sala de calderas en la planta superior). ] La velocidad de circulación es muy lenta, por lo que la instalación tarda mucho tiempo en responder a las demandas de calor. ] Para facilitar la circulación se debe oponer la mínima resistencia al paso del agua, por lo que es necesario emplear diámetros de tubería supe- riores a los utilizados por los sistemas actuales.
Como única ventaja, destaca el ahorro producido al no ser necesa- ria la compra de ningún componente específico, y al no existir consumo de energía adicional ni mantenimiento.
Por los motivos anteriores, en la actualidad son excepcionales los casos en los que una instalación de calefacción no incorpora circula- dor, o lo que es lo mismo, una pequeña bomba centrífuga que vence las pérdidas de presión existentes en el circuito haciendo que el agua se mueva. En la figura 16 se muestra un circulador Grundfos UPS.
Es importante que tengas claro que en ningún caso la bomba es la encargada de vencer la presión debida a la altura de la instalación. Recuerda que una instalación de calefacción forma un circuito cerrado y por tanto la presión que abría que ejercer para elevar el agua desde el punto más bajo al más alto es ejercida por la propia columna de líquido que tiene sobre ella, y que la empuja hacia arriba.
Fig. 16: Circulador Grundfos UPS.
En la figura 17b la partícula de agua está siendo empujada por una presión de: P 2 =10 m.c.a. siendo 10 metros la altura de la columna que está por encima del punto A (presión hidrostática). Por tanto, para hacer cirular desde A hasta B dicha partícula, tendremos que ejercer únicamente una presión de valor ∆p.
10 metros
A
P 2
B
10 metros
B
A
P 1
En la figura 17a a la partícula de agua que está situada en el punto A, tendríamos que empujarla con una presión: P 1 =10 m.c.a.+ ∆ p para subirla hasta el punto B, siendo 10 m.c.a. la altura a la que se debe elevar (presión hidrostática) y ∆p la pérdida de presión debida al rozamiento contra las paredes del circuito.
o Características fundamentales de los circuladores
Los circuladores empleados en calefacción están constituidos, al igual que el resto de las bombas centrífugas, por un rodete o turbina que gira en el interior de una carcasa en forma de espiral, con lo que se consigue mover el agua y aumentar la presión.
El motor eléctrico que mueve estas bombas puede ser monofásico, para las de pequeña potencia, o trifásico, en aquellas que deban mover grandes caudales y vencer pérdidas de presión elevadas, utilizadas en los circuitos de grandes edificios públicos, industrias o ins- talaciones colectivas.
En cualquier caso, en la mayoría de las ocasiones las bombas empleadas serán las deno- minadas de rotor húmedo, llamadas así porque el rotor, que gira sobre el mismo eje que el rodete, va sumergido en el propio agua de la instalación, lográndose así la refrigeración de las partes móviles del circulador y del bobinado eléctrico.
Aunque hasta ahora la mayoría de los motores eran asíncronos, pero la tendencia actual es emplear motores síncronos con los que se consigue mayor par de arranque, disminuyendo así la posibilidad de bloqueos, además de grandes ahorros de energía.
Como te puedes imaginar, el agua no puede entrar en contacto con las partes sometidas a tensión eléctrica y, por tanto, el rotor se envuelve en una camisa de material antimagnético (acero inoxidable u otros) que forma el entrehierro.
La potencia de estas bombas puede ser tan pequeña, que después de paradas prolongadas (en verano las bombas de calefacción no arrancan) se bloquean. Para asegurarse de que la bomba gira o en caso contrario para desbloquearla, se quita la tapa del eje (figura 20) y si éste no gira se desbloquea con un destornillador.
o Regulación de la velocidad
¿Crees que todas las instalaciones de calefacción oponen la misma resistencia a la circula- ción del agua?
Está claro que no. Como ya vimos en la unidad anterior, cada instalación está formada por tuberías de diámetros distintos, radiadores con diferente número de elementos, etc. De- pendiendo de estas características, el agua circulará con mayor o menor dificultad o, lo que es lo mismo, perderá más o menos presión.
¿Y el caudal que circula? ¿Variará de unas instalaciones a otras?
Por supuesto, recuerda que cuanta más potencia emitía un radiador, más caudal precisaba. Por tanto, cuanto mayor sea la potencia de una instalación, mayor será el caudal de agua que habrá que mover.
