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DEPARTAMENTO DE CONSTRUCCION ARQUITECTONICA ESCUELA TECNICA SUPERIOR DE ARQUITECTURA LAS PALMAS DE GRAN CANARIA

CALEFACCIÓN TEMA V. COMPONENTES AUXILIARES EN LAS INSTALACIONES DE CALEFACCIÓN.

MANUEL ROCA SUÁREZ

JUAN CARRATALÁ FUENTES

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I N D I C E V.1.- CIRCULADORES............................................................................................................2 V.2.- VASOS DE EXPANSION................................................................................................3 V.3.- VÁLVULAS DE SEGURIDAD..........................................................................................7 V.4.- CUADRO DE CONTROL.................................................................................. ..............9 V.5.- CENTRALILLAS DE REGULACION...............................................................................9 V.5.1 GENERALIDADES..........................................................................................................9 V.5.2 PRINCIPIOS DE REGULACIÓN...................................................................................10 V.5.3 DESCRIPCIÓN Y FUNCIONAMIENTO DE UNA CENTRALILLA DE REGULACIÓN...........................................................................................................................11 V.6.- SEPARADORES Y PURGADORES DE AIRE.............................................................17 V.6.1 APARATOS Y SISTEMAS DE PURGAS......................................................................17 V.7.- DILATADORES..............................................................................................................19 V.8.- CHIMENEAS..................................................................................................................20 CALEFACCION. TEMA V. COMPONENTES AUXILIARES EN LAS INSTALACIONES DE CALEFACCIÓN. V.1.- CIRCULADORES. Los circuladores son unas pequeñas electrobombas centrífugas intercaladas en los circuitos, cuya misión es impulsar el agua caliente y, a la vez, vencer las resistencias que tal impulsión genera. Pueden ir tanto en la tubería de ida como en la de retorno. Para potencias de bombeo superiores a 5 kw. se recomienda la instalación de dos bombas en paralelo, una de ellas en reserva.

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V.2 VASOS DE EXPANSION. Como hemos ido viendo hasta ahora, los sistemas de calefacción estudiados se producen mediante el calentamiento del agua de los circuitos de calefacción. El agua al calentarse se dilata aumentando su volumen, lo que podrá provocar una situación peligrosa para la instalación. Para solucionar este problema, las instalaciones deben ir dotadas de lo que se denomina vaso de expansión que absorbe el correspondiente aumento de volumen. Existen dos tipos de vasos de expansión: abiertos y cerrados. En la primera solución (vasos de Expansión Abiertos), el circuito queda abierto al estar en contacto con el airey, por tanto, el agua no puede superar los 95ºC, so pena de correr el riesgo de que pueda empezar a hervir. Los vasos de expansión abiertos están cada vez más en desuso a favor de los cerrados. Las razones son:

a) Dificultad de montaje frente a los cerrados, cuya instalación puede hacerse en la propia sala de calderas.

b) Pérdidas de agua por evaporación, lo que favorece incrustaciones y corrosión por la

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cal y el oxigeno disuelto en el agua de reposición. c) Necesidad de aislamiento frente al peligro de heladas. d) Necesidad de colocar largos conductos entre la caldera y el depósito, cuya altura

habrá de estar, necesariamente , por encima de los radiadores más altos. En el caso de situar el V.E.A. entre el generador y la bomba, como es recomendable, la altura mínima entre el punto más alto del circuito y el nivel mínimo del V.E.A. será de 0,5 m. En el caso de estar conectado en la impulsión de la bomba esta diferencia habrá de ser como mínimo igual a la altura manométrica de impulsión de la mencionada bomba.

Sin embargo a favor del uso del Vaso de expansión abierto está mayor grado de seguridad que un circuito abierto representa. La colocación de un segundo tubo de conexión o tubo de seguridad sustituye ventajosamente a la válvula de seguridad, imprescindible con circuitos y vasos de expansión cerrados. Incluso, cuando la presión hidrostática sobre la caldera sea inferior a 35 m.c.a. no es necesario el tubo de seguridad, confiando esta función al propio tubo principal del vaso de expansión abierto. Esta seguridad adicional puede ser muy a tener en cuenta con calderas de combustible sólido.

Fig. Vaso de expansión abierto.

En general es recomendable la secuencia generador-vaso de expansión-bomba de recirculación, para determinar la situación correcta de conexión del vaso de expansión abierto con respecto al generador de calor y a la bomba de recirculación, en el circuito. Resulta adecuado reproducir las posibles alternativas y sus explicaciones técnicas correspondientes a la norma UNE 100 157-89, referida a establecer los criterios a seguir para el diseño de un sistema de expansión de agua en un circuito cerrado. • Para facilitar el cálculo del volumen de agua en una instalación, se da la capacidad en

litros en los tubos de calefacción, por metro lineal de tubería, según la norma DIN 2440, se pueden tomar los siguientes valores:

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Contenido de agua en los tubos por metro lineal.

DIN 2440 (con o sin soldadura) Cobre

3/8” 1/2” 3/4” 1” 1 ¼” 1 ½” 2” 2 ½” 3” 4” 5”

0,128 0,213 0,380 0,680 1,04 1,359 2,248 3,772 5,204 8,820 13,431

6/8 8/10 10/12 12/14 13/15 14/16 16/18 20/22

0,028 0,050 0,079 0,113 0,133 0,154 0,201 0,314

• En el caso de que pudieran ser obtenidos los valores para determinar el volumen total

de agua de la instalación, el cálculo se podría realizar utilizando la fórmula empírica DIN 4751 para vasos de expansión abiertos, obteniéndose valores aproximados bastante válidos para zonas climáticas frías pero no tanto para Canarias.

V=1,2 P/1000 Donde P = Potencia de la caldera en Kcal/h V = Capacidad del depósito en litros. • Para el cálculo del Vaso de Expansión Cerrado, normalmente suele adoptarse como

Pm la altura del último radiador sobre el vaso de expansión incrementada en 100 Kpa para convertirla en presión absoluta y como PM el anterior valor más otros 100 Kpa como factor de seguridad para el tarado de la válvula de seguridad.

1 kg/cm² (=) 10 m.c.a = 100 Kpa EJEMPLO: 1º.- Determinar el volumen de un depósito de expansión cerrado para una instalación de

15 metros de altura, un contenido total de agua de 500 litros, temperatura de ida del agua 90ºC y 70 º C de retorno. PM tara la válvula de seguridad a 2,5 kg/cm².

Ve = (0,738 t – 33,48) Vt PM /( PM- Pm ) Ve = (0,738 x 80 – 33,48) 0,5 x 350 /( 350 - 250 ) = 44,73 l. 2º.- El mismo ejemplo anterior pero para un depósito de expansión abierto. Se trata de determinar el incremento de volumen del agua que será igual a la diferencia entre el volumen máximo y mínimo del depósito de expansión. 3,38)-(2logt10 0,01Vi Vi - Vf =

l34,1310x 500x0,01 Vi - Vf 3,38)-(2logt ==

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Además habrá de tener en cuenta que el nivel de agua mínimo habrá de tener un volumen mínimo igual o mayor al 2% del volumen total de la instalación:

l.10500x0,02 Vmin == Por último comprobar que el volumen del agua comprendido entre la conexión de la tubería de expansión al sistema y tubería de rebose sea igual, al menos, al 6% del volumen total de la instalación.

l30500x0,06 V6% ==

Consideraciones complementarias. Por último destacar algunos punto importantes:

a) Cuando colocamos un vaso de expansión cerrado, constituimos un circuito que a su vez queda también cerrado y que va a ser sometido a aumento de temperatura y presión. Por tanto habrá de colocarse, obligatoriamente, una válvula de seguridad y un manómetro.

b) El vaso de expansión cerrado se colocará, preferentemente, en la tubería de retorno y del lado de la aspiración de la bomba de recirculación.

c) El vaso de expansión cerrado se colocará de forma que no puedan formarse bolsas de aire.

d) De igual forma que con los vasos de expansión abiertos (salvo mediante válvulas de tres vías y en las condiciones antes mencionadas), en el caso de vasos de expansión cerrados, no se permitirá ninguna válvula que pueda cerrarse y aislar el circuito del propio vaso de expansión cerrado.

PRINCIPALES COMPONENTES.

INSTALACIÓN. • Colocar el vaso de expansión en el circuito de retorno, con el fin de evitar que la temperatura del agua no llegue a los límites de trabajo de la membrana. • Evitar radiaciones cerca del vaso de expansión para proteger la membrana de posibles excesos de temperatura. • No deben colocarse en el conducto de enlace del vaso, llaves de paso o accesorios que puedan interrumpirlo.

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• Debe preverse el enlace del vaso de forma que no puedan crearse en éste bolsas de aire. Con la instalación de Vasoflex es imprescindible colocar una válvula de seguridad tarada según la presión máxima de trabajo y un manómetro.

V.3. VÁLVULAS DE SEGURIDAD. Se define como válvula de seguridad a un "dispositivo que se inserta en algún punto del circuito y que está diseñado de forma tal que al subir la presión por encima de un valor determinado, llamado presión de tarado, se abre automáticamente" Las calderas con vaso de expansión cerrado, equipos de producción y almacenamiento de agua caliente y, en general, los circuitos que no estén en contacto con la atmósfera llevarán una válvula de seguridad generalmente acompañada de un manómetro, tal como se ejemplifica en el punto 2. Teniendo en cuenta que a mayor temperatura mayor presión suele colocarse en el tubo de ida y en las proximidades de la caldera.

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V.4. CUADROS DE CONTROL. Normalmente los instrumentos de control vienen agrupados formando paneles que se suministran, junto o separadamente, con la propia caldera. La mayor complejidad de dichos cuadros será función de las necesidades del usuario pero, en cualquier caso, parece lógico suponer que correrá pareja con la potencia de la instalación. Un cuadro de control ha de suministrar igualmente un mínimo de información, por lo que deberá contar al menos con un termómetro, que indique la temperatura de ida del agua, y un hidrómetro que indique la presión a que está trabajando la caldera. Estos aparatos se complementan habitualmente con los siguientes: Pulsadores-interruptores del circulador y del quemador. Termostato regulable de la temperatura de ida. Termostato de seguridad que actúe automáticamente. Cuando la caldera es mixta (Calefacción y ACS, con circulador independiente o regulada por válvula de 3 vías) y el termostato situado en el acumulador de ACS acusa déficit térmico, la fase se conecta al borne de PRIORIDAD del ACS desconectándose del borne del circulador de calefacción. Aportamos, sacado del Catálogo "ROCA", las características del cuadro de Control CC-102, junto con las instrucciones de su puesta en marcha y paro. Existen cuadros con una configuración exterior similar al que hemos descrito pero a los que se ha incorporado una pequeña centralilla de regulación electrónica con capacidad para adecuar la temperatura de funcionamiento a demandas caloríficas intermedias u ocasionales. El sistema de regulación se oferta como un complemento a las funciones básicas del cuadro de control, cuando, en realidad, tales centralillas están llamadas a sustituirlos por completo, tal como veremos a continuación. V.5. CENTRALILLAS DE REGULACION. V.5.1 Generalidades.- Como hemos visto, los cuadros normales establecen el control sobre la instalación de calefacción-ACS a base de termostatos; corrientemente, un termostato colocado en el acumulador de ACS, otro en la propia caldera (termostato de mínima) y otra al comienzo de la instalación (termostato de ida). De este modo se ponen en marcha la microbomba del quemador y los circuladores, o se abren válvulas motorizadas, en una secuencia de "todo-nada". Como alternativa reciente se están introduciendo en el mercado centralillas electrónicas, dónde se programa el funcionamiento continuo de los quemadores (generalmente modulantes) en función de la temperatura exterior leída mediante sonda, de modo que el agua de ida discurre a temperaturas igualmente moduladas. Mediante válvulas mezcladoras.Complementariamente se realizan otros ajustes que tienen en cuenta, por ejemplo, "el efecto invernadero" en el interior de las dependencias, la disminución de la emisión calorífica en horas nocturnas, etc. Todo ello trae consigo no solo un mejor funcionamiento de la instalación sino, también, un considerable ahorro energético.

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V.5.2 Principios teóricos de la Regulación.- Para regular la temperatura de funcionamiento con respecto a la temperatura exterior es preciso hallar la denominada curva de funcionamiento (que, en realidad, es una recta) que pone en relación ambas temperaturas. Vamos, pues, a hallarla. a) La cantidad de calor Q1 que, en la unidad de tiempo, se disipa al exterior viene dada por: Q1 = A (ta - text ), siendo A = Coeficiente de transmisión equivalente del conjunto del edificio. ta = temperatura de diseño. text = idem exterior b) La cantidad de calor Q2 que, en la unidad de tiempo, los emisores aportan a las dependencias viene dada por: Q2 = B (tm - ta), siendo B: Constante de transmisión térmica equivalente del conjunto de emisores. tm: Temperatura media de los emisores tida + tret (= ---------------) 2 c) La cantidad de calor Q3 que, en la unidad de tiempo, ha de generar la caldera viene dada por Q3 = m Ce (tida - tret), siendo m = kilogramo de agua/hora Ce = calor específico del agua como Q3 = Q1 + Q2, podemos escribir: tida + tret m Ce (tida - tret) = A (ta - text) + B (--------------- - ta)

2 Despejando primero tret y, después, tida se llega a A (2m Ce + B) tida = ---------------------- (ta - text) + ta 2 Bm Ce Si llamamos "m" al primer multiplicando tenemos: tida = m (ta - text) + ta [6] Ecuación de la recta que relaciona la temperatura del agua de la instalación con la temperatura exterior y la temperatura de diseño. Hallemos la representa gráfica para cada instalación de un modo rápido y astuto, sin necesidad de operaciones:

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En unos ejes de coordenadas asignemos a las abscisas las temperaturas del exterior a partir de la temperatura de diseño elegida; en el eje de ordenadas situamos las temperaturas de ida a partir de aquella en la que un radiador deja de ser eficaz (normalmente se toma text = 30 °C para la temperatura patrón de diseño de 20 °C). Teniendo en cuenta que la recta [6] quedaría definida por dos puntos intentemos hallarlos. PUNTO 1.- A la temperatura mínima exterior de la localidad le corresponde la temperatura máxima (tida )que hemos adoptado para la instalación. PUNTO 2.- A la temperatura del exterior máxima a considerar a efectos de calefacción, es decir cuando iguala a la de diseño, le corresponderá una temperatura teórica de ida tan baja que haga inútiles a los emisores. Veámoslo con un ejemplo: Sea la localidad de Madrid en la que la temperatura extrema de invierno es de -5 °C, y en la que disponemos que la temperatura máxima de nuestra calefacción sea de 85 °C

En cada caso concreto a "m" se le denomina pendiente de la instalación, y establece una relación biunívoca entre la temperatura exterior y la temperatura a la que debe circular el agua de la instalación con respecto a una predeterminada temperatura de diseño. V.5.3 Descripción y funcionamiento de una centralilla de regulación. Fijémonos en la centralilla ELFATHERM E - 2MQS, apta, entre otras posibilidades (v. catálogo ROCA 1992, pag. 284) para la regulación de una instalación de calefacción con quemador de dos etapas que sirva a 2 circuitos de calefacción, térmicamente independizables, además del suministro de ACS. Las características más destacables de su funcionamiento son las siguientes: - La temperatura de diseño (y consecuentemente la del agua de ida) queda prefijada en función de la temperatura exterior.

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- Se pueden ajustar las temperaturas de diseño en las horas diurnas y en las horas nocturnas (POTENCIOMETRO SOL Y POTENCIOMETRO LUNA) con programas diarios o semanales, con posibilidades de desconexiones o temperaturas reducidas para períodos de ausencia. - Ajuste de las secuencias de funcionamiento de las etapas del quemador en cascada, por ajuste de las diferencias de temperatura.

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Veamos sus prestaciones en un supuesto concreto SUPUESTO.- Hotel en Tejeda. Temperatura exterior mínima considerada 0°C. Caldera para dos circuitos de calefacción y servicio de ACS. Semana del 22 al 28 de Diciembre. Tiempo previsto: despejado Circuito A.- Calefacción de habitaciones. Circuito B.- Calefacción de salones.

Temperatura de diseño.- Se establece 20 °C para las habitaciones. En los salones, provistos de grandes ventanales y dada su orientación sur se producirá un calentamiento por efecto invernadero, agravado por la alta ocupación; así pues se establece 16 °C como temperatura de diseño para las zonas comunes. Temperatura nocturnas.- Teniendo en cuenta la inercia térmica y la nula actividad en las horas de madrugada, se va a establecer una regulación para hacer descender 6 °C las temperaturas de diseño desde las 24 horas hasta las 6 horas. Temperatura de ida máxima prevista: 70 °C Temperatura deseada en el acumulador de ACS: 60 °C OPERACIONES.-

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a) Colocar el selector A en 60°, demanda que queda establecida como prioritaria. b) Hallar la pendiente característica del Circuito I (habitaciones) utilizando el ábaco

principal 1. • Consecuentemente, colocar el selector B señalando el nº 2 c) Hallar la pendiente característica del Circuito II (salones) utililizando el ábaco 2. Para t = 16 °C el ábaco nos da la posición del potenciómetro sol. • Consecuentemente, colocar el mando D señalando el nº 2.

La pendiente se encuentra, primeramente mediante el ábaco 2´ apoyándonos en la pendiente hallada para el Circuito I, que nos da un descenso de la temperatura de ida de 15°. A continuación, utilizando de nuevo el ábaco principal 1 y entrando con tida = 70 - 15 = 65, hallamos la pendiente para el Circuito II.

• Consecuentemente, colocar el selector C señalando el nº 1,2. d) Corregir las pendientes características para las horas nocturnas utilizando el mando E. • Colocamos el mando E señalando el nº 6

Si nos interesara, hallaríamos las pendientes de los circuitos I y II en horas nocturnas utilizando los ábacos 3, 3´y 1.

e) A continuación marcamos con los enclavadores las horas de consumo reducido

(marcas negras: 24 h 6 h). f) Por último pondremos el selector de programas F en la posición 2 "funcionamiento

automático". (Si bien se conseguirá un importante ahorro energético, falta saber si los clientes no irán a pedir el libro de reclamaciones).

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V.6. PURGADORES Y SEPARADORES DE AIRE. La presencia de aire en los sistemas de calefacción por emisores constituye un problema sobradamente conocido. Tales sistemas se llenan con agua corriente que, por definición y "ab initio" arrastran partículas de aire en suspensión, partículas que se van juntando con las de vapor de agua que se originan con motivo de las altas temperaturas, formando así burbujas de diferentes tamaños que ocasionan los siguientes indeseados efectos: - Bolsas de aire que impiden la circulación del agua. - Ruidos. - Disminución del rendimiento de los circuladores, con posibilidad de daños en los

rodetes por cavitación. - Disminución del rendimiento de las calderas. - Corrosiones. Así pues es más que conveniente disponer de todos los recursos que nos pueda ayudar a su eliminación. 6.1 Aparatos y sistemas de purgas. El siguiente esquema nos aclarará las ideas

Nota: En el caso de sistema monotubular llevaran llave de purgado todos los emisores. (Ver páginas 24 y 25 N.T.E.) 1. Purgador automático. 2. Separador. 3. Purgador en los emisores. 4. Pendiente de la instalación. 1. PURGADOR. AUTOMATICO.- Consiste en un pequeño vaso que tiene en su interior un flotador que cierra o abre una válvula para la salida del aire. Todos los sistemas de agua caliente, incluidos los de ACS, deben prolongar sus montantes y colocar en el final un purgador. Aportamos esquema:

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SEPARADOR.- Los más conocidos son los centrífugos: se hace caer el agua en un recipiente formando torbellinos. Por efecto de la fuerza centrífuga el agua, como elemento más pesado, se "pega" a las paredes mientras el aire, más ligero, se acumula en el centro y asciende. De la parte alta del recipiente es expulsado a través de un purgador similar al anteriormente expuesto. Tiene su mayor eficacia situándolo en el punto de mayor velocidad y de menor presión, condiciones en las que el agua tiene su menos capacidad de disolución. Adjuntamos esquemas y características del separador FLEXAIR de la casa ROCA. 3. PURGADOR EN EMISORES.- Los hay automáticos y manuales y se colocan en uno de los tapones superiores de los emisores. Las recomendaciones para su colocación son las siguientes:

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- INSTALACION CON ANILLO UNICO, MONOTUBULAR O BITUBULAR (1 planta).- Colocar en todos los emisores.

- INSTALACION CON VARIOS ANILLOS MONOTUBULARES (varias plantas).-

Colocar en todos los emisores. - INSTALACION CON VARIOS ANILLOS BITUBULARES (varias plantas).- Colocar en

todos los emisores de la última planta. 4. PENDIENTE EN LOS RECORRIDOS HORIZONTALES.- Esta buena práctica debe realizarse en aquellos recorridos en los que el aire vaya a favor de la corriente de agua para converger en un montante propio o en la parte superior de uno existente provisto de purgador. V.7. DILATADORES. Por efecto de cambios de temperatura el movimiento axial de un tramo de tubería comprendido entre dos puntos de anclaje puede ser total o parcialmente impedido y, en consecuencia, generarse en el material de la misma esfuerzos superiores al máximo admisible. Es necesario, entonces, intercalar un elemento flexible que absorba dicho movimiento. Como elementos flexibles podrán utilizarse cambios de dirección de la tubería, preferentemente en forma de U, o bien dilatores deslizantes o de fuelles. Dada la complejidad del tema, con sus diversas formulaciones, remitimos a la norma UNE 100-156-89 DILATADORES. No obstante para los casos normales son suficientes las recomendaciones que al respecto hace la NTE ICR/1975 "Instalaciones de Climatización: Radiación", y que reproducimos.

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V.8. CHIMENEAS. El tema de las chimeneas de las calderas tiene implicaciones varias concernientes al diseño y a la construcción, por lo que debe preverse su ubicación a la hora del proyecto así como los requerimientos de aislamiento con respecto al resto del edificio, dada las altas temperaturas que puede alcanzar. Si las chimeneas discurren exentas de la edificación deben, igualmente, aislarse del frío, ya que las corrientes descendentes interiores del aire impedirían el buen funcionamiento del conducto. a) Cálculo de la sección.- Normalmente se realiza el cálculo mediante ábacos como el que sigue y que se incluye en los prospectos de cada tipo de caldera. Las calderas, como se sabe, están formadas - como los radiadores - por un determinado número de elementos que determinan la potencia de las misma, y por tanto las necesidades de evacuación de humos. Otro factor básico interviniente es la altura de la chimenea: A más altura se requiere menos sección de tiro. Veámoslo con unos ejemplos: Sea la caldera AR/GT del tema anterior a la que corresponde el gráfico que reproducimos. Modelo con 5 elementos. Edificio de 7 m. de altura. Altura de la chimenea 9 m. Operación.- Arrancamos de la escala de 9 m. y seguimos la línea quebrada superior hasta que esta cruza la ordenada de 5 elementos; su intersección nos señala un φ o lado de 22 cms. Si hubiéramos escogido la altura de 11 ms hubiera bastado un φ o lado de 19 cms. Nota.- La extraña gradación de las secciones de las chimeneas que encontramos en el ábaco, responde a resultados teóricos obtenidos en factoría con modelos o simuladores. Adoptar una sección inmediatamente superior en "números redondos".

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