Factores clave en la elección de un acumulador de A.C.S. (I)

Factores clave en la
elección de un
acumulador de A.C.S. (I)
1. Conceptos
básicos de
transmisión de calor
1.1. Transmisión del calor
––––––––––––––––––––––––––––––––
EUGENIO MERINO GARCIA
Jefe de Producto de Vaillant, S.L.
Desde un punto de vista termodinámico, el calor no es algo
que exista o se pueda acumular.
Sólo existe y se puede acumular
la energía que poseen las sustancias debidas a un estado o nivel
térmico determinado. Es precisamente el intercambio energético
que se produce entre dos cuerpos
o sustancias que posean temperaturas diferentes, a lo que llamamos transmisión de calor, o
calor a secas.
Por lo tanto, para que exista esta transmisión de calor (que un
cuerpo gane energía y otro la pierda) es fundamental que haya una
diferencia de temperatura entre
ambos cuerpos, y esta pérdida o
ganancia será más rápida cuanto
mayor sea la diferencia de temperaturas.
Cuando tienen lugar estos intercambios de energía interna o de calor, la primera ley de la termodinámica exige que el calor desprendido por un cuerpo debe ser igual al
absorbido por el otro. La segunda
ley de la termodinámica exige que
la transmisión de calor tenga lugar
desde el sistema más caliente hacia
el más frío.
La importancia de la transmisión
de calor en los procesos de refrigeración o calefacción es evidente y
ejerce una influencia decisiva, también, en la construcción de los interacumuladores de ACS.
El proceso de transmisión de calor se produce por conducción,
convección y radiación, cuyos principios se tratarán a continuación.
MONTAJES E INSTALACIONES - JULIO/AGOSTO 1996
1.2. Transmisión de calor
por conducción
––––––––––––––––––––––––––––––––
“Conducción” calorífica es el término que se aplica al mecanismo
del intercambio de energía interna
de un cuerpo a otro, o de una parte
de este cuerpo a otra.
Si calentamos el extremo de una
barra metálica, al cabo de algún
tiempo se habrá calentado también
el otro extremo. Es el ejemplo más
sencillo de la conducción. Las leyes
que gobiernan la conducción pueden expresarse en términos matemáticos concisos.
Si consideramos una superficie
de área S y de espesor e, y mantenemos una de sus caras a la temperatura uniforme t1 y la otra cara a
la temperatura t2, observamos que
la velocidad de flujo de calor, representada por Q, es directamente
proporcional al área S y a la diferencia de temperatura (t1 - t2), e inversamente proporcional al espesor e. Esta proporcionalidad se
transforma en una igualdad por la
definición de una constante de proporcionalidad K. A esta constante
se la llama “Conductividad térmica”: a mayor valor de K, mayor será
el calor transmitido (Fig. 1).
(t1 - t2)
Q = K · S · ––––––––
e
Fig. 1.
53
Fig. 2.
Interacumulador
con
intercambiador
de calor
de serpentín
Algunos valores de la conductividad térmica de los materiales
son:
Freón . . . . . . . . . . . 0,008 W/m°C
Acero inoxidable . . . .16,3 W/m°C
Hierro . . . . . . . . . . . .63,0 W/m°C
Cobre . . . . . . . . . . .386,0 W/m°C
Como puede desprenderse de
los valores anteriores, la elección
de uno u otro material implica mayor o menor transmisión de calor.
Por ejemplo, el cobre podrá intercambiar 23 veces más calor que el
acero inoxidable.
1.3. Transmisión de
calor por convección
––––––––––––––––––––––––––––––––
Designamos con el término de
“convección˝ el mecanismo de
transmisión calorífica que se produce en un fluido cuando una parte
de éste se mezcla con otra, a causa
de los movimientos de la masa del
mismo. También puede darse el caso de un fluido que entre en contacto con un cuerpo sólido que se encuentre a diferente temperatura.
En términos generales, la ecuación de transmisión por convección
viene definida por la Ley de Newton:
Q
–––– = h (ts - tf)
S
Siendo S la superficie del sólido,
h el “coeficiente de película˝ (que
depende de la geometría del sólido,
54
de la composición del fluido y de la
hidrodinámica del movimiento del
fluido), ts la temperatura del sólido,
y tf la temperatura del fluido.
Vemos, por tanto, que la elección
de una u otra geometría de intercambio es fundamental para tener
un intercambio rápido y óptimo.
Cuando un fluido es movido por
causas mecánicas externas (por
ejemplo, una bomba), se denomina
“Convección forzada˝.
Cuando este movimiento se produce por diferencias de densidad
creadas por la de la temperatura de
la masa del fluido, entonces se denomina “Convección libre˝.
En la figura 2, que corresponde
a un interacumulador con intercambiador de calor de serpentín,
podemos observar las dos formas
de convección descritas.
1.4. Transmisión de
calor por radiación
––––––––––––––––––––––––––––––––
La “radiación” térmica es el término que se emplea para describir
Fig. 3.
la radiación electromagnética
emitida por la superficie de un
cuerpo excitado térmicamente.
Esta radiación electromagnética
se emite en todas las direcciones
y, cuando incide sobre otro cuerpo, una parte de la misma puede
ser reflejada, otra transmitida y
otra absorbida. Si la radiación incidente es de tipo térmico (es decir,
si es de longitud de onda apropiada), la radiación absorbida aparecerá como calor en el cuerpo que
la ha absorbido.
Así de una manera completamente distinta a como sucede en
los dos modos antes citados, el calor puede pasar de un cuerpo a otro
sin necesidad de que haya un medio entre ellos para transportarlo.
Este calor radiante está expresado por la Ley de Stefan-Boltzman
en la forma siguiente:
E = ε · σ · T4
En esta ecuación E es la velocidad de emisión de energía por unidad de superficie, T la temperatura
absoluta del cuerpo, σ una constante física universal y ε una propiedad de la superficie emisora
que se conoce con el nombre de
“emisividad˝.
1.5. Intercambiador de calor
––––––––––––––––––––––––––––––––
El intercambio de calor entre
dos corrientes de fluidos distintos
es uno de los procesos más importantes y que encontramos habitualmente en calderas, calentadores,
refrigeradores, etc., produciéndose
el intercambio de calor entre un
fluido caliente y otro frío.
Los dispositivos en donde se
produce este intercambio de calor,
sin mezcla de ambos fluidos, se conocen como “intercambiadores de
calor˝.
Cuando los dos fluidos entran
por extremos distintos y circulan en
dirección contraria, se conocen co-
t ca
t fs
t fe
t cs
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Fig. 4.
o
C
2. Tipos de
acumuladores
de A.C.S.
t ca
t cs
t1
t fe
Flujo paralelo
t2
t fs
m/m 2
Existen dos grandes grupos de
acumuladores de agua caliente sanitaria. Atendiendo a donde está
ubicada la fuente energética y el intercambiador de calor se clasifican
de la siguiente forma:
Acumuladores
directos
Eléctricos
A gas
C t ca
o
t1
t cs
t fs
t2
t fe
Flujo contracorriente
m/m 2
mo “intercambiadores de calor
contracorriente˝.
En la figura 3 se ha representado
esquemáticamente un intercambiador de calor contracorriente, ya
que los dos fluidos circulan en direcciones opuestas.
Los diagramas de la figura 4 demuestran la diferencia en su comportamiento, de intercambiadores
de flujo paralelo respecto a los de
flujo contracorriente.
Observamos que en el caso de
flujo paralelo sería preciso un intercambiador infinitamente largo (de
superficie infinita), para conseguir
que la temperatura de salida del
fluido frío (tfs) alcanzase el mismo
valor que la temperatura de salida
del flujo caliente (tcs).
En contracorriente, la parte más
caliente del fluido caliente está más
cerca de la temperatura más caliente del fluido frío, y la parte más
fría del fluido caliente con la más
fría del fluido frío. Esto produce una
diferencia de temperatura más
constante a lo largo del intercambiador y permite calentar el fluido
frío hasta una temperatura más alta
que la de salida del fluido caliente,
siendo la velocidad de transmisión
de calor más alta en este caso que
en el flujo paralelo.
Acumuladores
indirectos
Depósitos
Interacumuladores
Los acumuladores directos contienen en su interior la fuente energética de calentamiento de A.C.S.
Esta será una resistencia eléctrica o
un quemador de gas, dependiendo
del tipo de que se trate. Los aparatos de este tipo poseen una clara
desventaja, si tenemos en cuenta
que tanto la resistencia como el
quemador son de baja potencia,
poseen tiempos de calentamiento
elevados y no sirven para satisfacer
consumos prolongados de A.C.S.
Sólo sirven para los consumos
punta, y una vez que el acumulador
se vacía hay que esperar un tiempo
sin usarlo hasta que el aparato se
recupere.
Los acumuladores indirectos deben ser conectados a una fuente
energética externa, necesitando un
intercambiador de calor adicional
para el calentamiento del A.C.S.
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Los intercambiadores poseen integrado en el mismo aparato el intercambiador (de ahí su nombre). Por
el contrario, los depósitos acumuladores necesitan ser conectados a
un intercambiador de calor externo
para su funcionamiento. Dependiendo de la capacidad del intercambiador, el funcionamiento del
depósito será mejor o peor.
La gran ventaja de los acumuladores indirectos es que con una
fuente de calor y un intercambiador
bien seleccionados pueden satisfacer tanto demandas punta de
A.C.S. como consumos prolongados, ya que no sólo poseen agua
caliente acumulada, sino que también están calentando el agua de
forma instantánea.
3. Selección de
interacumuladores
A continuación, centrándonos
en los interacumuladores, vamos a
ir viendo paso a paso cuáles son los
factores clave a la hora de elegir un
modelo de intercambiador u otro.
3.1. Geometría del
intercambiador de calor
––––––––––––––––––––––––––––––––
Uno de los sistemas más utilizados en la preparación de A.C.S. es
mediante el interacumulador, calentado directamente por un fluido proveniente de un generador de calor.
Independientemente de cual sea
Fig. 5.
t ce
t fs
t fs
t ce
t cs
t cs
t fe
t fe
Interacumulador
de doble pared
Interacumulador
de serpentín
55
la energía consumida por
dicho generador de calor
(gas, gasóleo, electricidad,
etc.) nos referiremos a dos
tipos básicos de interacumulador, cuya diferencia
fundamental radica en el
dispositivo de intercambio
de calor. Esto es, interacumulador de doble pared e
interacumulador de serpentín (Fig. 5).
Según lo expuesto en la
primera parte de este artículo, la transmisión de calor
por “convección” que se
produce entre un fluido y
una superficie sólida depende esencialmente de la
geometría de contacto. Si
recordamos la ecuación de
Newton:
Fig. 6.
t fe
t fs
t ce
t cs
Q
–––– = h (ts - tf)
S
el calor intercambiado
en la unidad de tiempo depende del “coeficiente de
película” h y de la diferencia de
temperatura entre la superficie y el
fluido.
El coeficiente h es un número difícil de calcular, que se obtiene por
análisis adimensional de mecánica
de fluidos. Este número permite definir cual es la configuración geométrica óptima de un intercambiador de calor.
El intercambio energético entre
la superficie de contacto y el agua
se produce a lo largo de una pequeña capa de fluido denominada “capa límite”, y de ahí el calor pasa al
resto del agua acumulada por
“convección libre”.
Entre la “capa límite” y la superficie de intercambio se producirá,
por tanto, una transmisión por “conducción”
guiendo de forma añadida que la
temperatura del agua acumulada
se uniformice y no se formen estratificaciones de fluido a diferente
temperatura, que sería una “barrera” para el intercambio, y produciría oscilaciones continuas de
temperatura en el A.C.S. que se
esté consumiendo.
Aplicando los criterios anteriores
al diseño de interacumuladores, vemos que la configuración óptima
del intercambiador de calor es el
serpentín interior centrado axialmente; y la peor configuración desde el punto de vista de intercambio
sería el acumulador de doble pared
(Fig. 7).
(t1 - t2)
Q = K · S · ––––––––
e
Fig. 7.
que dependerá, entre otros factores, de la diferencia de temperaturas existente. Por tanto, buscando un intercambio óptimo es necesario que el agua en contacto
con la superficie se renueve constantemente para que esta diferencia de temperatura exista y se
mantenga elevada. Para conseguir este efecto es necesario favorecer en todo lo posible la “convección libre” del fluido, consi56
El serpentín, al estar en
contacto directo y permanente con todo el volumen
de agua a calentar, posee
unos valores de “convección libre” mucho mayores
que un intercambiador de
doble pared “al baño maría”, cuyo “coeficiente de
película” h se ve muy reducido al estar la superficie
de intercambio muy alejada del centro geométrico
del acumulador, y no estarse favoreciendo la “convección libre” del fluido.
Además, la estratificación
interior de temperaturas en
el interacumulador de doble pared es mucho mayor,
con las consiguientes oscilaciones en la temperatura
de salida de A.C.S.
Otra desventaja de los
interacumuladores de doble pared es que necesitan
un contenido de agua en el
circuito primario (el agua
proveniente de una fuente
de calor externa) mucho mayor
que en caso de los interacumuladores con serpentín, siendo necesaria una gran cantidad de energía para calentar y mantener caliente este agua. Por ejemplo, para un contenido de A.C.S. de 100
litros, el serpentín contiene 3 litros frente a la doble pared que
contiene unos 25 litros.
Desde el punto de vista de las dimensiones del aparato, el interacumulador de doble pared ocupa un
25% más de espacio que uno con
serpentín, para la misma capacidad de acumulación, debido, claro
está, al gran contenido de agua del
circuito primario.
DOBLE PARED
SERPENTIN
Aislamiento
Aislamiento
tc
tc
ACS
ACS
MONTAJES E INSTALACIONES - JULIO/AGOSTO 1996
fe
Fig. 8.
3.2 Coeficiente global
de transmisión de calor
––––––––––––––––––––––––––––––––
de temperatura se prodría trabajar,
también, con la fórmula siguiente,
aunque como veremos los resultados difieren muy sensiblemente
(Tabla I).
m/m 2
C t ca
o
Otro de los parámetros básicos
para calcular el rendimiento de un
intercambiador de calor es el coeficiente global de transmisión del calor (U).
Este coeficiente depende de la
configuración geométrica de la parte que separa los fluidos caliente y
frío y de los coeficientes de transmisión de calor a ambos lados de la
pared.
Entonces la expresión que determina la cantidad de calor transmitida de uno a otro fluido se representa:
t fs
∆t1 - ∆t2
∆tm = ––––––––––
∆t1
ln –––––
∆t2
t2
t fe
Balance calorífico
La mayoría de información relativa a los interacumuladores puede
m/m 2
Flujo contracorriente
Tabla I
Resultante de temperaturas fijas
Q = U · S · (tc - tf)
Es preciso manifestar que en todo el texto y en las expresiones no
se ha tenido en cuenta las contaminación superficial de la áreas caliente y fría, por lo que no hemos introducido factores de corrección
por ensuciamiento.
En la expresión anterior de la
cantidad de calor transmitida, como las temperaturas de los fluidos
caliente y frío varían desde su entrada a su salida, es decir de uno a
otro extremo, debemos sustituir la
diferencia de temperatura por la diferencia media de temperatura, resultando:
t cs
t1
Temperaturas en secundario
Temperaturas en primario
80/60
ida/retorno
90/70
∆tm
90/80
Entrada °C
Salida °C
10
35
47,42
57,44
62,20
10
40
44,81
54,85
59,44
10
45
42,05
52,14
56,58
10
50
39,14
49,33
53,61
10
55
36,05
46,38
50,49
10
60
32,73
43,28
47,21
Q = U · S · ∆tm
Diferencia media de temperatura
Debemos recordar que los subíndices c y f expresan los fluidos
caliente y frío respectivamente, y
los subíndices e y s expresan las
condiciones de entrada y salida de
los fluidos.
Según la figura 8 para intercambiador de calor contracorriente, la
expresión de la diferencia media de
temperatura será:
(tce + tcs) - (tfe + tfs)
∆tm = ––––––––––––––––––––
2
Y, por lo tanto, la expresión inicial de la capacidad de calor transmitido queda en la forma siguiente:
(tce + tcs) - (tfe + tfs)
Q = K · S = ––––––––––––––––––––
2
Tabla II
Unidad
medida
Doble
pared
Serpentín
l
100
100
Temperatura caliente entrada
°C
80
80
Temperatura caliente salida
°C
60
62
Temperatura fría entrada
°C
10
10
Temperatura fría salida
°C
45
45
Caudal fluido caliente
l/h
1.050
1.240
Caudal fluido frío
l/h
600
650
Potencia
kW
24,4
26,4
Superficie de intercambio
m2
1,0
0,7
Volumen de la acumulación
Coeficiente global transmisión
Material pared intercambio
W/m2 °C
575
867
A. inox
Cobre
Para obtener la diferencia media
MONTAJES E INSTALACIONES - JULIO/AGOSTO 1996
57
que el proceso de calentamiento es
desde el exterior hacia el interior,
con lo que parte de la energía contenida en el agua del circuito primario está siendo desperdiciada en
pérdidas al ambiente, con el inconveniente añadido de que el agua del
circuito primario es siempre la más
caliente (80°C, 90°C) y, por tanto,
las pérdidas serán aun mayores.
El interacumulador con serpentín es el que posee mayor rendimiento en el intercambio (calentamiento de dentro a fuera) y menor
desperdicio energético en perdidas
al ambiente (Fig. 9).
Fig. 9
DOBLE PARED
SERPENTIN
Aislamiento
Aislamiento
tc
tc
ACS
ACS
no incluir todos los datos y valores
necesarios, resultando útil usar la
fórmula que determina el balance
calorífico en un intercambiador de
calor, es decir:
Por ejemplo una caldera con una
potencia térmica nominal de 27,6
kW tendrá un caudal nominal de
1.190 l/h con un At = 20°C, a una
presión de salida de 2,5 mCDA.
mc · (tce - tcs) = mf · (tfs - tfe)
3.3. Aislamiento y
pérdidas de calor
––––––––––––––––––––––––––––––––
Siendo mc y mf las masas de los
fluidos que intercambian su calor,
caliente y frío, respectivamente.
En el ejemplo siguiente se han
tomado los datos de catálogo de un
interacumulador de doble pared y
otro de serpentín, resultando, después de efectuar los cálculos descritos, los valores mostrados en la
Tabla II.
Según lo expuesto queda demostrado que, aun con menor superficie de intercambio, un interacumulador con serpentín de cobre
tiene mayor eficacia que uno de doble pared de acero inoxidable.
El mismo acumulador de doble
envolvente tendría un caudal de
A.C.S. en continuo de 685 litros/h
(35 l/h más que el serpentín) con
temperaturas de ida/retorno de
80/70 °C, lo que implicará una
bomba que permita circular 2.400
litros/h (el doble que en serpentín).
El hecho de trabajar con una diferencia de temperatura entre la ida
y retorno del fluido caliente, menor,
por ejemplo 10°C implica que el
caudal del A.C.S. producido es mayor, pero también lo es el que circula en el circuito del fluido caliente o
primario, por lo que también se
producirán mayores pérdidas de
calor, y por supuesto, la bomba de
circulación, caso que el interacumulador esté asociado a una caldera de tipo doméstico, impondrá un
caudal máximo a circular en convección forzada, es decir, una limitación.
58
Pérdidas energéticas de
un depósito acumulador
(caso general)
El cálculo de las pérdidas por radiación y convección se calcula
con la expresión:
A · U · ∆T · 24
Qrc = –––––––––––––––
860
3.4. Material del
intercambiador
––––––––––––––––––––––––––––––––
Existen tres materiales que son
los más usados en la fabricación de
intercambiadores: acero inoxidable, acero esmaltado y cobre, si
bien este último material sólo ahora
se está empezando a introducir de
forma importante.
Desde el punto de vista de intercambio de calor, de los tres materiales el que posee una “conductividad térmica” K mayor es el cobre.
El cobre posee un K 23 veces mayor que el acero inoxidable, con lo
que su capacidad de intercambio
energético será 23 veces mayor:
(t1 - t2)
Q = K · S · ––––––––
e
siendo:
A (m2) = Area de la superficie
envolvente del acumulador
1
U ≈ –––––––
e/K
Además, necesitaremos mucha
menos superficie de intercambio (y
longitud del serpentín) para conseguir los mismos efectos que con
acero inoxidable.
U es el coeficiente global de
transmisión de calor del aislante,
siendo e el espesor del material con
coeficiente de conductividad k.
∆T (°C) = Td - Ta
Td = Temperatura de acumulación en el depósito (45/60°C)
T a = Temperatura ambiente
(20°C)
1 kWh = 860 kcal
A medida que acumulemos a
más temperatura, mayores serán
las pérdidas si no aumentamos debidamente la calidad y el espesor
del aislante.
Los interacumuladores de doble
envolvente poseen la desventaja de
MONTAJES E INSTALACIONES - JULIO/AGOSTO 1996
Factores clave
en la elección
de un acumulador
de A.C.S. (y II)
manguitos antielectrolíticos entre el
acumulador y las tuberías si son de
metales diferentes).
Otro tipo de corrosión bastante
común es la intercristalina localizada normalmente a lo largo de las
uniones que constituyen las soldaduras, sobre todo en depósitos de
acero inoxidable.
La corrosión por picaduras, consiste en un ataque local que llega
rápidamente a atravesar el metal.
Suele ser habitual en los aceros inoxidables dependiendo del contenido de cloruros y también de la calidad del inoxidable y del proceso de
soldadura.
La corrosión bajo tensión afecta
habitualmente a los aceros austeníticos incluso con pequeñas cantidades de cloruros y ataca normalmente las zonas que han sufrido
una tensión durante el proceso de
fabricación (moldurado, embutición y, por supuesto, soldaduras).
En los depósitos protegidos con
vidrio o esmalte es frecuente que se
presenten discontinuidades en su
aplicación, por ejemplo hendiduras, grietas, poros o incluso la no
3.5. Corrosión del depósito
––––––––––––––––––––––––––––––––
a) La corrosión
A grandes rasgos se puede decir
que la corrosión constituye la destrucción de un metal por diversas
reacciones químicas o electroquímicas con el medio que lo rodea.
La velocidad con que se produce
la corrosión se suele indicar por la
pérdida de peso por unidad de superficie en un tiempo, o por la profundidad del metal atacado por la
corrosión en un tiempo.
En algunas circunstancias, la
velocidad de corrosión queda frenada, ya que se forma una película
superficial de un compuesto del
metal y eso impide el desarrollo de
la reacción, entonces se dice que el
metal está pasivado.
La corrosión galvánica se produce al formarse un ánodo y un cátodo en un metal que esté en contacto con un electrolito (por ejemplo el
agua), o entre dos metales de potencial diferente (una forma de evitar este último caso es montar
Fig. 10.
AGUA
O2
OXIDOS
H2
H+ H+
CATODO
EUGENIO MERINO GARCIA
Fe3+
Fe3+
OH
OH
ANODO
Fe → Fe3+ + 3e-
O2
OXIDOS
2H+ (del agua) + 2e- → H2
O2 + 2H2O + 4e- → 4OH-
H2
H+ H+
CATODO
ACERO INOXIDABLE
Jefe de Producto de Vaillant, S.L
MONTAJES E INSTALACIONES - SEPTIEMBRE 1996
123
Fig. 11.
Corrosión por picaduras
renovación del ánodo de sacrificio.
Esto suele provocar perforaciones
inmediatas de los depósitos.
b) La incrustación
Existe distintos tipos de residuos
en un depósito de agua caliente.
La sedimentación es la materia
(arena, barro, etc.) que entra en el
depósito con el agua de alimentación y sedimenta en el fondo. No
presenta problemas importantes.
El lodo es una deposición calcárea
con menos adherencia y blando que
se forma por la precipitación de carbonatos durante los ciclos de calentamiento del agua. En zonas con flujo
de calor alto puede endurecerse.
La incrustación consiste en un
residuo calcáreo adherente y duro
que resulta de la nucleación y crecimiento de cristales en las superficies de transmisión de calor. Es habitual en aguas duras y superficies
donde se transfiere el calor a temperaturas más altas y las consecuencias inciden gravemente en la
vida de los acumuladores.
La floculación es un residuo coloidal, gelatinoso y que aparece por la
destrucción del ánodo de sacrificio.
Los residuos que se han descrito
y la incrustación tienen su influencia en la vida de los acumuladores
de agua caliente y también en las
prestaciones y eficacia.
Las incrustaciones generan ruidos en el acumulador, pérdida en la
transmisión de calor al agua y, en
consecuencia, mayor consumo de
energía y mayores gastos. Cuando
los residuos son considerables la vida del acumulador se reduce considerablemente. también al producirse un aumento de residuos se reduce la capacidad útil del acumulador
y, en consecuencia, produce menos agua caliente.
124
Corrosión intercristalina
Para eliminar la incrustación la
forma típica es a base de tratamientos químicos (ablandadores,
fosfatos, etc.), no es posible por
medios mecánicos en el acumulador (moldurado, embuticiones).
c) Factores que influyen
en la calidad del agua
Algunos de los factores que influyen en la calidad del agua son
descritos seguidamente:
- Valor pH
Indica el contenido de iones de
hidrógeno. A mayor número de iones de hidrógeno resulta mayor acidez del agua y valor pH más bajo.
Aguas con valores de pH pequeños son agresivas y disuelven otros
metales.
- Dureza total
La dureza total o grado hidrotrimétrico TH, corresponde al contenido total de sales solubles de calcio y
magnesio. La forma más extendida
de expresar el valor de la dureza temporal es en grados alemanes (dH).
Aguas semiduras (5-10 dH) forman una capa protectora sobre la
superficie en contacto con el agua.
Aguas blandas (0-2 dH) no
constituyen ninguna capa protectora sobre la superficie metálica, y en
este caso el dióxido de carbono disuelto en el agua ataca el metal.
El agua dura (> 10 dH) provoca
sedimentos que se ven considerablemente incrementados con el aumento de la temperatura.
- Dióxido de carbono
Es la parte del ácido carbónico
que presenta propiedades agresivas.
Se considera el dióxido de carbono
como agresivo en combinación con
valores pequeños de pH y valores de
dureza, resultando agua agresiva.
Corrosión baja tensión
- Hierro
Contenidos de hierro del orden
de 0,2 mg/l son importantes. El
hierro proporciona al agua un coloramiento amarillo. Altos contenidos
de hierro provocan manchas oscuras en la colada y la deposición de
hierro en las conducciones de agua
y acumuladores. A mayor temperatura mayor tendencia a la deposición de hierro.
- Manganeso
El manganeso presenta efectos
similares al hierro pero los mismos
aparecen ya con contenidos pequeños del metal.
- Cloruros
Alto contenido de cloruros (>
100 mg/l) equivale a agua agresiva
con lo que resultan, por ejemplo,
afectados los aceros inoxidables.
- Conductividad
Es el valor del contenido de sales disueltas de cloruros y sulfatos.
d) Sistemas de protección
Los sistemas más aplicados como protección frente a los agentes
corrosivos del agua en acumuladores son: el cobre, el vitrificado y el
acero inoxidable.
Normalmente se suelen aplicar
uno u otro sistema indiscriminadamente sea cual sea el tipo de agua a
utilizar, omitiéndose las especiales
características de alguno de los sistemas de protección que sin duda ofrecen un mejor comportamiento frente
a un determinado tipo de agua.
- El cobre
Este sistema de protección es
utilizado de una forma peculiar, ya
que el tanque de cobre está forrado
por un tanque de acero.
MONTAJES E INSTALACIONES - SEPTIEMBRE 1996
El tanque de cobre está construido mediante láminas de espesor
0,4 - 0,7 mm.
El tanque de acero confiere sus
propiedades de resistencia a la presión (soporta presiones de trabajo
de hasta 10 bar), y el tanque de cobre sus propiedades de resistencia
a la corrosión.
El cobre es un metal semi-noble y
resiste frente a la mayoría de tipos de
aguas. Los acumuladores de agua
construidos con cobre están exentos
del servicio de mantenimiento y no
precisan ánodo de protección.
Las aguas de las que disponemos presentan en general concentraciones de ion hidrógeno por encima de 7,0 con algunas excepciones con valores de 6,5.
En general, el problema que presentan las aguas radica en la dureza
total y la concentración de cloruros.
Todos los materiales tienen limitaciones de uso; sin embargo, el
cobre ofrece una combinación de
propiedades que lo hacen único.
De hecho, el cobre es el material
por excelencia usado en las instalaciones de calefacción y agua caliente sanitaria y es conocido por su
excelente resistencia a la corrosión.
- El vitrificado
El vitrificado consiste en un
compuesto de vidrio que es aplicado en el interior del tanque. Para
conseguir la máxima adherencia
del vidrio al acero debe aplicarse
primero aplicarse una capa de níquel. Para conseguir buena resistencia a la corrosión deben darse
dos capas de vitrificado.
Algunos vitrificados presentan
grandes desventajas que no pueden ser apreciadas de inmediato
pero que hacen su presencia al poco tiempo de estar instalados los
aparatos. Por ejemplo:
- Pequeña adherencia del vitrificado al acero del tanque.
- Superficie del vitrificado discontinua e irregular.
- Poros.
- El anodo
Un tanque correctamente vitrificado puede presentar en su superficie microporos a través de los
cuales el agua puede entrar en contacto con el acero del tanque.
Una forma de prevenir la posible
corrosión en dichas partes de la superficie de acero del tanque es a
base de un ánodo de protección.
El material del ánodo suele ser
MONTAJES E INSTALACIONES - SEPTIEMBRE 1996
magnesio. Al disolverse el magnesio los microporos quedan cubiertos por componentes de calcio y
magnesio.
La velocidad con que se disuelve
el magnesio depende de algunas
sustancias del agua y también de la
temperatura de la misma. Por ejemplo, el alto contenido de cloruros
(alto contenido de sales que incrementa la conductividad del agua),
es un factor que contribuye a la rápida disolución del ánodo de magnesio. Cuando el ánodo se ha extinguido existe un alto riesgo de corrosión en el tanque. Es, por lo tanto,
imperativo controlar periódicamente el estado del ánodo de magnesio
y sustituirlo cuando proceda.
Es preciso asegurarse que el
ánodo de magnesio estará activo
para ser sacrificado, para ello la
conductividad excederá de 60
µS/cm (microSievers/centímetro).
Cuando la conductividad sea extremadamente pequeña se instalará un ánodo de corriente directa
(ánodo permanente).
En aguas con conteniendos de
sulfuros se produce en algunos casos olores. El problema se soluciona sustituyendo el ánodo de magnesio por un ánodo de cinc.
- El acero inoxidable
El acero comúnmente utilizado
en los tanques para agua caliente es
el ferrítico. El acero ferrítico está
compuesto, entre otros, por un 18%
de cromo y un 2% de molibdeno, pero carece de níquel. Debido al contenido de cromo la superficie es pasivada y adquiere una capa de óxidos.
Este fenómeno es la razón principal
de protección frente a la corrosión.
Los aceros inoxidables (austeníticos), contienen importantes cantidades de níquel y presentan una
buena protección frente a la corrosión. Sin embargo, posee algunos
problemas de consideración, ya
que los tipos de austeníticos normalmente utilizados carecen tanto
de cobre como de nitrógeno. Otro
problema es el coste, ya que el níquel tiene un precio elevado y en
constante alza. Y, quizá el problema
más grave es el proceso de soldadura, sumamente complicado y que
constituye un punto demasiado débil, lo que añadido a una construcción de tanque de doble envolvente
aún magnifica el problema, al provocarse corrosión por picaduras.
Este material es muy sensible en
aguas con alto contenido de cloru-
ros (>100 mg/l) que provoca corrosión por picaduras. También
presenta inconvenientes en su aplicación en aguas con valores pH
ácidos. Altos contenidos de cloruros combinados con compuestos
de calcio presentan un medio agresivo para este tipo de material.
Estos acumuladores se suelen
proteger, en la medida de lo posible, con protecciones catódicas de
corriente directa, lo que supone un
accesorio muy caro para el usuario,
y cuando surge la necesidad de ponerlo ya es demasiado tarde.
3.6. Comportamiento
frente a bacterias
––––––––––––––––––––––––––––––––
El cobre es bien conocido como
inhibidor del crecimiento bacteriano que afecta a la calidad del agua.
Los estudios biológicos han demostrado que los gérmenes, tales
como E. Coli, presentes en el agua no
se multiplican en las tuberías de cobre. Más del 99% de población bacteriana en instalaciones de cobre desaparece en menos de cinco horas.
Diversos estudios en Alemania y
Reino Unido han demostrado que el
cobre tiene efectos beneficiosos en
la prevención del crecimiento de
agentes como la Legionella.
El Midwest Resarch Institute
(USA) llevó a cabo estudios preliminares de laboratorio, consistentes en introducir una suspensión
de E. Coli en el agua contenida en
tuberías de diferentes materiales,
realizando a continuación una serie
de controles periódicos.
El resultado fue que al cabo de
cinco horas, en la tubería de cobre
sólo se mantenían activas el 1% de
las bacterias, mientras que en las
de otros materiales no había disminuido, y en algunos casos incluso
había aumentado.
El Center for Applied Microbial
Research (Reino Unido) ha estudiado el crecimiento de la bacteria Legionella en tuberías de diversos
materiales. El sistema montado en
el laboratorio reproducía las condiciones que existen en las instalaciones de fontanería, lo que permitía
estudiar la evolución del crecimiento de los microorganismos en forma similar a la real.
Se utilizaron aguas de diferentes
grados de dureza, y se realizaron
comprobaciones periódicas a diversas temperaturas, entre 20 y 60°C.
El Public Health Laboratories Ser125
vice comprobó en los controles realizados que el nivel de bacterias totales colonizadas en la superficie de
cobre era inferior al de los restantes
materiales estudiados, con el mismo
resultado a 20, 40, 50 y 60°C en los
tres tipos de agua (blanda, de río moderadamente dura y de pozo dura).
4. Cálculo
del sistema
de preparación
de A.C.S.
Los símbolos y unidades de medida que comprenden las fórmulas
para el cálculo del volumen de almacenamiento y la potencia de calentamiento son:
te: Temperatura de entrada: °C.
tu: Temperatura de utilización: °C.
tp: Temperatura de preparación: °C.
C: Consumo de punta: l.
hp: Tiempo de preparación entre
entre cada consumo: m.
h c: Duración del consumo de
punta: s.
hr: Tiempo de reacción del sistema: s.
4,19: Calor específico del agua
kJ/kg °K.
e: Eficacia de extracción del
acumulardor: adimens.
v: Volumen de almacenamiento: l.
p: Potencia de calentamiento: kW.
Para efectuar el cálculo todas las
magnitudes deben ser conocidas,
siendo las únicas incógnitas el volumen de almacenamietno V y la
potencia de calentamiento P.
En el proceder del cálculo se estima la temperatura mínima de entrada, por ejemplo 10 ó 15 °C, según la zona.
Para la temperatura de utilización se suele tomar un valor de
42°C, excepto cuando se trata de
un uso higiénico como por ejemplo,
cocinas, lavanderías, etc, en cuyo
caso se toma de 70 a 80°C.
La temperatura de preparación
es de 58°C según lo exigido por el
Reglamento de las Instalaciones de
Calefacción, Climatización y Agua
Caliente Sanitaria para instalaciones centralizadas. En instalaciones
individuales no existe límite, está
marcado éste por la calidad del
material empleado en el acumulador (por ejemplo, el cobre resiste
95°C de temperatura de acumulación). Cuando se superen los 60°C
de temperatura de acumulación, se
126
debe montar un mezclador termostático entre la entrada y salida del
interacumulador.
También debe tenerse en cuenta
otras cuestiones relativas al volumen de almacenamiento, como:
- Usar tanques verticales con alto
grado de esbeltez.
- Usar tanques con elevado grado
de turbulencia.
- Repartir el volumen de almacenamiento en dos o más tanques.
- Usar preferentemente instalación
en serie de los tanques.
- Usar tanques bien aislados.
- Usar tanques con materiales con
gran resistencia a la corrosión del
agua.
- Usar tanques con materiales que
presenten mejor comportamiento
frente a bacterias (por ejemplo, Legionella).
3. Consumo punta
Es el caudal simultáneo que se
demandará en la vivienda en el período más desfavorable del día. Este caudal es el de diseño y, por tanto, el acumulador deberá ser capaz
de suministrarlo.
V · (tp - te)
P · (hc - hr)
C = ––––––––––– · e + ––––––––––––––
tu - te
(tu - te) · 4,19
[
] [
4. Tiempo de preparación
entre cada consumo
El tiempo de preparación entre
cada consumo es el tiempo en que
debe producirse el recalentamiento
del volumen de almacenamiento
del agua.
V · 4,19 · (tp - te)
hp = –––––––––––––––––
P · 60
4.1. Fórmulas para
el cálculo del sistema
––––––––––––––––––––––––––––––––
5. Potencia de calentamiento
1. Consumo total
V · 4,19 · (tp - te)
P = ––––––––––––––––––
hp · 60
Es el caudal total de agua caliente sanitaria (Ct) que se podría llegar
a demandar en la vivienda de forma
simultánea. Se obtiene sumando
todos los caudales de A.C.S. de los
puntos de consumo. Según las
Normas Básicas para las Instalaciones Interiores de Suministro de
Agua, los caudales instantáneos de
los puntos de consumo son:
Lavabo . . . . . . . . . . .6
Bidet . . . . . . . . . . . . .6
Bañera . . . . . . . . . .18
Ducha . . . . . . . . . .12
Fregadero . . . . . . .12
Lavadero . . . . . . . .12
litros/min
litros/min
litros/min
litros/min
litros/min
litros/min
2. Coeficiente de simultaneidad
El consumo varía con las horas
del día y la actividad de los ocupantes de la vivienda. La coincidencia
de consumos simultáneos es siempre menor a la del consumo total.
1
Kp = ––––––– n = nº de puntos de consumo
√n - 1
El consumo punta se obtendrá
multiplicando el consumo total por
el coeficiente de simultaneidad.
C = Ct · Kp
]
6. Caudal instantáneo
de acumulación
Es el caudal de agua caliente sanitaria que se puede obtener instantáneamente a la temperatura de utilización, suponiendo su mezcla con
el agua de entrada y estando el total
del volumen de agua almacenada a
la temperatura de preparación.
V · (tp - te)
Ca = ––––––––––– · e
tu - te
7. Caudal continuo
Es el caudal de agua caliente sanitaria que se puede obtener instantáneamente y de forma continua.
En la fórmula siguiente el tiempo
de consumo de agua coincide con
la duración del consumo de punta.
P · (hc - hr)
Cc = –––––––––––––––
(tu - te) · 4,19
8. Porción de agua necesaria a
una temperatura determinada
tu - te
% agua a Tp = –––––––
tp - te
tp - tu
% agua a Te = –––––––
tp - te
MONTAJES E INSTALACIONES - SEPTIEMBRE 1996
Fig. 12.
Instalación individual
Instalación múltiple en paralelo
ACS
ACS
Agua fría
Agua fría
M
T
T
Instalación múltiple en serie
T
Instalación individual combinada con
intercambiador de placas
70 o C
ACS
70 o C
Agua fría
+ 45 o C
-
M
M
T
45 o C
10 o C
T
T
T
+ 35 o C
-
Recirculación
35 C
Agua fría
4.2. Procedimiento de cálculo
––––––––––––––––––––––––––––––––
Tal y como se ha dicho anteriormente todos los valores deben ser
conocidos, excepto el volumen de
almacenamiento V y la potencia de
calentamiento P.
Se procederá en la forma siguiente:
- 1º Calcular el consumo punta según la fórmula 2.
- 2º Encontrar el valor de P en función de V, según la fórmula 5.
- 3º Sustituir el valor encontrado de
P, en la fórmula 3.
- 4º Desarrollar la formula 3, con lo
que se hallará el valor de V.
- 5º Desarrollar la fórmula 5, con lo
que se hallará el valor de P.
MONTAJES E INSTALACIONES - SEPTIEMBRE 1996
5. Esquemas básicos
de conexión
Veamos seguidamente algunos
de los tipos de instalación más habituales con los que nos podemos
encontrar.
6. Conclusiones
Después de todo lo expuesto,
queda claro que a la hora de decantarse por uno u otro sistema de acumulación debemos tener en cuenta
no sólo factores económicos sino
también de funcionamiento y de
confort para el usuario.
Por todo ello, la solución idónea
sería el interacumulador con serpentín interior debidamente dimensionado, que sea capaz de proporcionar el caudal punta necesario,
con unos tiempos de recuperación
suficientemente bajos, y con un
rendimiento que proporcione un
caudal continuo adecuado.
El acabado interior de cobre es
el más recomendable para todos
los tipos de aguas, tanto desde el
punto de vista de corrosión como
de higiene. Además, son aparatos
sin mantenimiento, lo que permite
unos tiempos de amortización mucho menores.
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