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

CALEFACCINTEMA V.

COMPONENTES AUXILIARES EN LAS INSTALACIONES DE CALEFACCIN.

MANUEL ROCA SUREZ JUAN CARRATAL FUENTES

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INDICE V.1.- CIRCULADORES............................................................................................................2 V.2.- VASOS DE EXPANSION................................................................................................3 V.3.- VLVULAS 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 REGULACIN...................................................................................10 V.5.3 DESCRIPCIN Y FUNCIONAMIENTO DE UNA CENTRALILLA DE REGULACIN...........................................................................................................................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 CALEFACCIN.V.1.- CIRCULADORES. Los circuladores son unas pequeas electrobombas centrfugas intercaladas en los circuitos, cuya misin es impulsar el agua caliente y, a la vez, vencer las resistencias que tal impulsin genera. Pueden ir tanto en la tubera de ida como en la de retorno. Para potencias de bombeo superiores a 5 kw. se recomienda la instalacin 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 calefaccin estudiados se producen mediante el calentamiento del agua de los circuitos de calefaccin. El agua al calentarse se dilata aumentando su volumen, lo que podr provocar una situacin peligrosa para la instalacin. Para solucionar este problema, las instalaciones deben ir dotadas de lo que se denomina vaso de expansin que absorbe el correspondiente aumento de volumen. Existen dos tipos de vasos de expansin: abiertos y cerrados. En la primera solucin (vasos de Expansin Abiertos), el circuito queda abierto al estar en contacto con el airey, por tanto, el agua no puede superar los 95C, so pena de correr el riesgo de que pueda empezar a hervir. Los vasos de expansin abiertos estn cada vez ms en desuso a favor de los cerrados. Las razones son: a) Dificultad de montaje frente a los cerrados, cuya instalacin puede hacerse en la propia sala de calderas. b) Prdidas de agua por evaporacin, lo que favorece incrustaciones y corrosin por la 3

cal y el oxigeno disuelto en el agua de reposicin. c) Necesidad de aislamiento frente al peligro de heladas. d) Necesidad de colocar largos conductos entre la caldera y el depsito, cuya altura habr de estar, necesariamente , por encima de los radiadores ms altos. En el caso de situar el V.E.A. entre el generador y la bomba, como es recomendable, la altura mnima entre el punto ms alto del circuito y el nivel mnimo del V.E.A. ser de 0,5 m. En el caso de estar conectado en la impulsin de la bomba esta diferencia habr de ser como mnimo igual a la altura manomtrica de impulsin de la mencionada bomba. Sin embargo a favor del uso del Vaso de expansin abierto est mayor grado de seguridad que un circuito abierto representa. La colocacin de un segundo tubo de conexin o tubo de seguridad sustituye ventajosamente a la vlvula de seguridad, imprescindible con circuitos y vasos de expansin cerrados. Incluso, cuando la presin hidrosttica sobre la caldera sea inferior a 35 m.c.a. no es necesario el tubo de seguridad, confiando esta funcin al propio tubo principal del vaso de expansin abierto. Esta seguridad adicional puede ser muy a tener en cuenta con calderas de combustible slido.

Fig. Vaso de expansin abierto.

En general es recomendable la secuencia generador-vaso de expansin-bomba de recirculacin, para determinar la situacin correcta de conexin del vaso de expansin abierto con respecto al generador de calor y a la bomba de recirculacin, en el circuito. Resulta adecuado reproducir las posibles alternativas y sus explicaciones tcnicas correspondientes a la norma UNE 100 157-89, referida a establecer los criterios a seguir para el diseo de un sistema de expansin de agua en un circuito cerrado. Para facilitar el clculo del volumen de agua en una instalacin, se da la capacidad en litros en los tubos de calefaccin, por metro lineal de tubera, segn 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 Cobre (con o sin soldadura) 3/8 1/2 3/4 1 1 1 2 2 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 instalacin, el clculo se podra realizar utilizando la frmula emprica DIN 4751 para vasos de expansin abiertos, obtenindose valores aproximados bastante vlidos para zonas climticas fras pero no tanto para Canarias. V=1,2 P/1000 Donde P = Potencia de la caldera en Kcal/h V = Capacidad del depsito en litros.

Para el clculo del Vaso de Expansin Cerrado, normalmente suele adoptarse como Pm la altura del ltimo radiador sobre el vaso de expansin incrementada en 100 Kpa para convertirla en presin absoluta y como PM el anterior valor ms otros 100 Kpa como factor de seguridad para el tarado de la vlvula de seguridad. 1 kg/cm (=) 10 m.c.a = 100 Kpa

EJEMPLO: 1.- Determinar el volumen de un depsito de expansin cerrado para una instalacin de 15 metros de altura, un contenido total de agua de 500 litros, temperatura de ida del agua 90C y 70 C de retorno. PM tara la vlvula de seguridad a 2,5 kg/cm. 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. 2.- El mismo ejemplo anterior pero para un depsito de expansin abierto. Se trata de determinar el incremento de volumen del agua que ser igual a la diferencia entre el volumen mximo y mnimo del depsito de expansin. Vf - Vi = 0,01Vi 10(2logt -3,38) Vf - Vi = 0,01 x 500 x 10(2logt -3,38) = 13,34 l 5

Adems habr de tener en cuenta que el nivel de agua mnimo habr de tener un volumen mnimo igual o mayor al 2% del volumen total de la instalacin:

Vmin = 0,02 x 500 = 10 l.Por ltimo comprobar que el volumen del agua comprendido entre la conexin de la tubera de expansin al sistema y tubera de rebose sea igual, al menos, al 6% del volumen total de la instalacin. V6% = 0,06 x 500 = 30 l Consideraciones complementarias. Por ltimo destacar algunos punto importantes: a) Cuando colocamos un vaso de expansin cerrado, constituimos un circuito que a su vez queda tambin cerrado y que va a ser sometido a aumento de temperatura y presin. Por tanto habr de colocarse, obligatoriamente, una vlvula de seguridad y un manmetro. b) El vaso de expansin cerrado se colocar, preferentemente, en la tubera de retorno y del lado de la aspiracin de la bomba de recirculacin. c) El vaso de expansin cerrado se colocar de forma que no puedan formarse bolsas de aire. d) De igual forma que con los vasos de expansin abiertos (salvo mediante vlvulas de tres vas y en las condiciones antes mencionadas), en el caso de vasos de expansin cerrados, no se permitir ninguna vlvula que pueda cerrarse y aislar el circuito del propio vaso de expansin cerrado. PRINCIPALES COMPONENTES.

INSTALACIN. Colocar el vaso de expansin en el circuito de retorno, con el fin de evitar que la temperatura del agua no llegue a los lmites de trabajo de la membrana. Evitar radiaciones cerca del vaso de expansin 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. 6

Debe preverse el enlace del vaso de forma que no puedan crearse en ste bolsas de aire. Con la instalacin de Vasoflex es imprescindible colocar una vlvula de seguridad tarada segn la presin mxima de trabajo y un manmetro. V.3. VLVULAS DE SEGURIDAD.

Se define como vlvula de seguridad a un "dispositivo que se inserta en algn punto del circuito y que est diseado de forma tal que al subir la presin por encima de un valor determinado, llamado presin de tarado, se abre automticamente" Las calderas con vaso de expansin cerrado, equipos de produccin y almacenamiento de agua caliente y, en general, los circuitos que no estn en contacto con la atmsfera llevarn una vlvula de seguridad generalmente acompaada de un manmetro, tal como se ejemplifica en el punto 2. Teniendo en cuenta que a mayor temperatura mayor presin 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 ser funcin de las necesidades del usuario pero, en cualquier caso, parece lgico suponer que correr pareja con la potencia de la instalacin. Un cuadro de control ha de suministrar igualmente un mnimo de informacin, por lo que deber contar al menos con un termmetro, que indique la temperatura de ida del agua, y un hidrmetro que indique la presin a que est 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 acte automticamente. Cuando la caldera es mixta (Calefaccin y ACS, con circulador independiente o regulada por vlvula de 3 vas) y el termostato situado en el acumulador de ACS acusa dficit trmico, la fase se conecta al borne de PRIORIDAD del ACS desconectndose del borne del circulador de calefaccin. Aportamos, sacado del Catlogo "ROCA", las caractersticas del cuadro de Control CC-102, junto con las instrucciones de su puesta en marcha y paro. Existen cuadros con una configuracin exterior similar al que hemos descrito pero a los que se ha incorporado una pequea centralilla de regulacin electrnica con capacidad para adecuar la temperatura de funcionamiento a demandas calorficas intermedias u ocasionales. El sistema de regulacin se oferta como un complemento a las funciones bsicas del cuadro de control, cuando, en realidad, tales centralillas estn llamadas a sustituirlos por completo, tal como veremos a continuacin. V.5. CENTRALILLAS DE REGULACION.

V.5.1 Generalidades.Como hemos visto, los cuadros normales establecen el control sobre la instalacin de calefaccin-ACS a base de termostatos; corrientemente, un termostato colocado en el acumulador de ACS, otro en la propia caldera (termostato de mnima) y otra al comienzo de la instalacin (termostato de ida). De este modo se ponen en marcha la microbomba del quemador y los circuladores, o se abren vlvulas motorizadas, en una secuencia de "todonada". Como alternativa reciente se estn introduciendo en el mercado centralillas electrnicas, dnde se programa el funcionamiento continuo de los quemadores (generalmente modulantes) en funcin de la temperatura exterior leda mediante sonda, de modo que el agua de ida discurre a temperaturas igualmente moduladas. Mediante vlvulas mezcladoras.Complementariamente se realizan otros ajustes que tienen en cuenta, por ejemplo, "el efecto invernadero" en el interior de las dependencias, la disminucin de la emisin calorfica en horas nocturnas, etc. Todo ello trae consigo no solo un mejor funcionamiento de la instalacin sino, tambin, un considerable ahorro energtico.

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V.5.2 Principios tericos de la Regulacin.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 relacin ambas temperaturas. Vamos, pues, a hallarla. a) por: La cantidad de calor Q1 que, en la unidad de tiempo, se disipa al exterior viene dada A = Coeficiente de transmisin equivalente del conjunto del edificio. ta = temperatura de diseo. text = idem exterior

Q1 = A (ta - text ), siendo

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 transmisin trmica 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 especfico del agua

como Q3 = Q1 + Q2, podemos escribir: tida + tret m Ce (tida - tret) = A (ta - text) + B (--------------- - ta) 2 Despejando primero tret y, despus, 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]

Ecuacin de la recta que relaciona la temperatura del agua de la instalacin con la temperatura exterior y la temperatura de diseo. Hallemos la representa grfica para cada instalacin de un modo rpido y astuto, sin necesidad de operaciones: 10

En unos ejes de coordenadas asignemos a las abscisas las temperaturas del exterior a partir de la temperatura de diseo 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 patrn de diseo de 20 C). Teniendo en cuenta que la recta [6] quedara definida por dos puntos intentemos hallarlos. PUNTO 1.- A la temperatura mnima exterior de la localidad le corresponde la temperatura mxima (tida )que hemos adoptado para la instalacin. PUNTO 2.- A la temperatura del exterior mxima a considerar a efectos de calefaccin, es decir cuando iguala a la de diseo, le corresponder una temperatura terica de ida tan baja que haga intiles a los emisores. Vemoslo 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 mxima de nuestra calefaccin sea de 85 C

En cada caso concreto a "m" se le denomina pendiente de la instalacin, y establece una relacin biunvoca entre la temperatura exterior y la temperatura a la que debe circular el agua de la instalacin con respecto a una predeterminada temperatura de diseo. V.5.3 Descripcin y funcionamiento de una centralilla de regulacin. Fijmonos en la centralilla ELFATHERM E - 2MQS, apta, entre otras posibilidades (v. catlogo ROCA 1992, pag. 284) para la regulacin de una instalacin de calefaccin con quemador de dos etapas que sirva a 2 circuitos de calefaccin, trmicamente independizables, adems del suministro de ACS. Las caractersticas ms destacables de su funcionamiento son las siguientes: La temperatura de diseo (y consecuentemente la del agua de ida) queda prefijada en funcin de la temperatura exterior. 11

Se pueden ajustar las temperaturas de diseo 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 perodos 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 mnima considerada 0C. Caldera para dos circuitos de calefaccin y servicio de ACS. Semana del 22 al 28 de Diciembre. Tiempo previsto: despejado Circuito A.Circuito B.Calefaccin de habitaciones. Calefaccin de salones.

Temperatura de diseo.- Se establece 20 C para las habitaciones. En los salones, provistos de grandes ventanales y dada su orientacin sur se producir un calentamiento por efecto invernadero, agravado por la alta ocupacin; as pues se establece 16 C como temperatura de diseo para las zonas comunes. Temperatura nocturnas.- Teniendo en cuenta la inercia trmica y la nula actividad en las horas de madrugada, se va a establecer una regulacin para hacer descender 6 C las temperaturas de diseo desde las 24 horas hasta las 6 horas. Temperatura de ida mxima prevista: 70 C

Temperatura deseada en el acumulador de ACS: 60 C OPERACIONES.-

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a) b) c)

Colocar el selector A en 60, demanda que queda establecida como prioritaria. Hallar la pendiente caracterstica del Circuito I (habitaciones) utilizando el baco principal 1. Consecuentemente, colocar el selector B sealando el n 2 Hallar la pendiente caracterstica del Circuito II (salones) utililizando el baco 2. Para t = 16 C el baco nos da la posicin del potencimetro sol.

Consecuentemente, colocar el mando D sealando el n 2. La pendiente se encuentra, primeramente mediante el baco 2 apoyndonos en la pendiente hallada para el Circuito I, que nos da un descenso de la temperatura de ida de 15. A continuacin, utilizando de nuevo el baco principal 1 y entrando con tida = 70 - 15 = 65, hallamos la pendiente para el Circuito II.

d)

Consecuentemente, colocar el selector C sealando el n 1,2. Corregir las pendientes caractersticas para las horas nocturnas utilizando el mando E. Colocamos el mando E sealando el n 6 Si nos interesara, hallaramos las pendientes de los circuitos I y II en horas nocturnas utilizando los bacos 3, 3y 1.

e) f)

A continuacin marcamos con los enclavadores las horas de consumo reducido (marcas negras: 24 h 6 h). Por ltimo pondremos el selector de programas F en la posicin 2 "funcionamiento automtico".

(Si bien se conseguir un importante ahorro energtico, falta saber si los clientes no irn 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 calefaccin por emisores constituye un problema sobradamente conocido. Tales sistemas se llenan con agua corriente que, por definicin y "ab initio" arrastran partculas de aire en suspensin, partculas que se van juntando con las de vapor de agua que se originan con motivo de las altas temperaturas, formando as burbujas de diferentes tamaos que ocasionan los siguientes indeseados efectos: Bolsas de aire que impiden la circulacin del agua. Ruidos. Disminucin del rendimiento de los circuladores, con posibilidad de daos en los rodetes por cavitacin. Disminucin del rendimiento de las calderas. Corrosiones.

As pues es ms que conveniente disponer de todos los recursos que nos pueda ayudar a su eliminacin. 6.1 Aparatos y sistemas de purgas.

El siguiente esquema nos aclarar las ideas

Nota: En el caso de sistema monotubular llevaran llave de purgado todos los emisores. (Ver pginas 24 y 25 N.T.E.) 1. 2. 3. 4. Purgador automtico. Separador. Purgador en los emisores. Pendiente de la instalacin.

1. PURGADOR. AUTOMATICO.- Consiste en un pequeo vaso que tiene en su interior un flotador que cierra o abre una vlvula 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 ms conocidos son los centrfugos: se hace caer el agua en un recipiente formando torbellinos. Por efecto de la fuerza centrfuga el agua, como elemento ms pesado, se "pega" a las paredes mientras el aire, ms ligero, se acumula en el centro y asciende. De la parte alta del recipiente es expulsado a travs de un purgador similar al anteriormente expuesto. Tiene su mayor eficacia situndolo en el punto de mayor velocidad y de menor presin, condiciones en las que el agua tiene su menos capacidad de disolucin. Adjuntamos esquemas y caractersticas del separador FLEXAIR de la casa ROCA.

3. PURGADOR EN EMISORES.- Los hay automticos y manuales y se colocan en uno de los tapones superiores de los emisores. Las recomendaciones para su colocacin son las siguientes: 18

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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 ltima planta.

4. PENDIENTE EN LOS RECORRIDOS HORIZONTALES.- Esta buena prctica 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 tubera 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 mximo admisible. Es necesario, entonces, intercalar un elemento flexible que absorba dicho movimiento. Como elementos flexibles podrn utilizarse cambios de direccin de la tubera, 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 100-15689 DILATADORES. No obstante para los casos normales son suficientes las recomendaciones que al respecto hace la NTE ICR/1975 "Instalaciones de Climatizacin: Radiacin", y que reproducimos.

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V.8.

CHIMENEAS.

El tema de las chimeneas de las calderas tiene implicaciones varias concernientes al diseo y a la construccin, por lo que debe preverse su ubicacin a la hora del proyecto as 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 edificacin deben, igualmente, aislarse del fro, ya que las corrientes descendentes interiores del aire impediran el buen funcionamiento del conducto. a) Clculo de la seccin.- Normalmente se realiza el clculo mediante bacos como el que sigue y que se incluye en los prospectos de cada tipo de caldera. Las calderas, como se sabe, estn formadas - como los radiadores - por un determinado nmero de elementos que determinan la potencia de las misma, y por tanto las necesidades de evacuacin de humos. Otro factor bsico interviniente es la altura de la chimenea: A ms altura se requiere menos seccin de tiro. Vemoslo con unos ejemplos:

Sea la caldera AR/GT del tema anterior a la que corresponde el grfico que reproducimos. Modelo con 5 elementos. Edificio de 7 m. de altura. Altura de la chimenea 9 m. Operacin.- Arrancamos de la escala de 9 m. y seguimos la lnea quebrada superior hasta que esta cruza la ordenada de 5 elementos; su interseccin nos seala un o lado de 22 cms. Si hubiramos escogido la altura de 11 ms hubiera bastado un o lado de 19 cms. Nota.- La extraa gradacin de las secciones de las chimeneas que encontramos en el baco, responde a resultados tericos obtenidos en factora con modelos o simuladores. Adoptar una seccin inmediatamente superior en "nmeros redondos".

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