Índice
0.- Introducción.
1.- Definición de instalaciones de calefacción.
2.- Elementos componentes y su funcionamiento.
3.- Circuitos característicos de calefacción.
3.1. Instalaciones en edificios no industriales.
3.1.1. Por convección natural.
3.1.2. Por convección forzada.
3.1.3. Por radiación.
3.1.4. Calefacción eléctrica.
3.2. Instalaciones en edificios industriales.
3.2.1. Calefacción por agua sobrecalentada.
3.2.2. Calefacción por aceites térmicos.
3.2.3. Calefacción por vapor.
0. INTRODUCCIÓN.
El transporte continuo de la energía calorífica desde el lugar donde el calor se produce hasta el de empleo, necesita un medio (líquido o gas) que pueda fluir fácilmente en tuberías o similares, y que absorba el calor. Según esto, se comprende que existan diferentes tipos de sistemas de calefacción.
El esquema que se seguirá para el desarrollo del tema será el siguiente; en un primer apartado se definirá lo que se entiende por instalaciones de calefacción, para luego dar unas nociones sobre los elementos componentes que son comunes a la mayoría de sistemas de calefacción. Finalmente en el apartado de sistemas de calefacción se detallarán el funcionamiento y circuitos característicos, así como los elementos componentes singulares de cada sistema de calefacción. Obviamente se prestará una mayor atención a los sistemas más extendidos en la actualidad.
1. DEFINICIÓN.
Se denomina instalaciones de calefacción, a aquellas instalaciones térmicas destinadas a mantener la Tª ambiente de un determinado recinto a un nivel superior al de la Tª a la que se encuentra el entorno del recinto.
Si además del control de la Tª se realiza un control de la humedad del recinto, las instalaciones se denominan de climatización.
Una instalación de calefacción está integrada por tres bloques o subsistemas, estos aparecen indicados en el siguiente esquema:
BLOQUE 1 BLOQUE 2 BLOQUE 3
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Q Q* Q*
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exterior de emisores
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Qext Ganancias exteriores
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Pérdidas
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Ganancias internas
Como se observa en el esquema, existen unos flujos de energía entre cada subsistema, y entre estos, los locales a calentar y el ambiente exterior. Así pues, dependiendo de los rendimientos (h) del bloque 1- caldera, y el bloque 2- tuberías de distribución, habrá unas pérdidas de calor (Q) hacia el exterior. Además, en los locales habrá unas pérdidas o ganancias con relación al ambiente exterior. Finalmente, cabe destacar, que en los locales pueden observar ganancias internas de calor, propiciada por la actividad de las personas, o el desprendimiento de energía de otras instalaciones situadas en el interior.
De todo lo dicho, se obtiene la conclusión de que el sistema de calefacción a instalar, así como la capacidad calorífica de éste, dependerá fundamentalmente del tamaño y tipo constructivo de los locales, así como de la Tª interior a la que se quiera alcanzar, y del ambiente exterior.
2. ELEMEMTOS COMPONENTES Y SU FUNCIONAMIENTO.
Como se ha indicado, existe una enorme variedad de sistemas de calefacción. Esto hace que se presente una gran variedad de elementos componentes de la instalación, dependiendo del sistema de explotación.
Los elementos componentes más comunes de un sistema de calefacción son los siguientes:
– Depósito de almacenamiento de combustible.
– Instalaciones de alimentación de combustibles.
– Quemadores.
– Caldera.
– Mecanismos de evacuación de humos.
– Sala de calderas
– Circulador.
– Redes de tuberías.
– Elementos de caldeo.
– Depósito de expansión.
– Elementos complementarios y accesorios.
2.1. Almacenamiento de combustibles (depósitos)
En toda instalación de calefacción se debe aportar energía exterior a partir de un combustible, que es aquella sustancia susceptible de arder produciendo energía útil.
Existen tres tipos fundamentales de combustibles: sólidos, líquidos y gaseosos.
Es de gran importancia el tipo de energía a utilizar, debiéndose tener presente la posibilidad de calderas policombustibles aptas para utilizar carbón, leña, desperdicios, gasóleo, gas, etc.
A.- COMBUSTIBLES SÓLIDOS.
Son fundamentalmente la leña y el carbón. Ambos combustibles, muy usados en otros tiempos, han caído en descenso por razones fundamentales de comodidad y limpieza. Por esto, omitimos un tratamiento más profundo de este tipo de combustibles.
B.- COMBUSTIBLES LÍQUIDOS.
Dentro de este tipo de combustibles, desde el punto de vista de utilización domestica, el más interesante es el gasóleo C.
Los depósitos de almacenamiento de combustibles líquidos suelen ser horizontales para las instalaciones de calefacción. Estos tendrán una capacidad mínima que asegure el funcionamiento de la instalación durante 30 días, debiendo construirse con chapa laminada nueva y estar protegida contra la corrosión. Serán cilíndricos con fondos elipsoidales o esféricos.
Los depósitos se pueden encontrar de 4 maneras diferentes, estas son:
– Depósitos enterrados en el exterior de un edificio, colocados en una fosa con una profundidad (D + 1.5) m y cuya sección es de (L + 1) * (D + 1)m, siendo L y D la longitud y el diámetro del depósito.
– Depósitos enterrados en el interior de edificios. Estos depósitos no deben distanciar, en ninguna de sus puntas a una distancia menor a 0.5 m, de la estructura del edificio, no debiendo estar sometido a esfuerzos de ningún tipo.
– Depósitos aéreos en el interior de un edificio, que se colocarán en la planta más baja del edificio, en un recinto aislado del resto de la edificación.
– Depósitos aéreos en el exterior de los edificios, que irán colocados sobre tacos de hormigón. La distancia del edificio al depósito más próximo será por lo menos de 3 metros.
En la mayoría de los depósitos existen una serie de tuberías de circuitos y accesorios típicos. Las tuberías deben ser de hierro, acero, bronce o cobre; las que se instalen entre los depósitos y los quemadores no podrán ser nunca de aluminio ni de materiales combustibles. Pueden utilizarsen tuberías metálicas flexibles en los lugares donde existan vibraciones o esfuerzos mecánicos variables. Se distinguen los siguientes circuitos:
Circuito de carga.
Se inicia en la boca de carga tipo CAMPSA, de 3 pulgadas para combustibles de la clase B (queroseno) y de 4 para los de clase C (gasóleo, fuel).El circuito de carga se rosca sobre un tubo del mismo diámetro que la boca y penetra en el tanque de almacenamiento hasta llegar a unos 15 o 20 cm de su generatriz inferior. La boca de carga puede ir alojada en la arqueta de registro o desplazada en una arqueta independiente; no debe separarse más de dos metros del bordillo de la acera o lugar de estacionamiento de los camiones cisterna durante la descarga. Cuando la boca de carga esté desplazada, el tubo para la carga tendrá una pendiente mínima del 5% con caída hacia el tanque. (figs.1,2,3).
Circuito de aspiración
Este circuito varia ligeramente según sea el sistema de alimentación por gravedad, por aspiración directa o por circulación forzada. Queda puesta claramente de manifiesto en las figuras 1,2,3. El diámetro del tubo de aspiración variará según sean las características de la bomba, tendido, combustible, etc.
Circuito de impulsión
Así mismo, varía según sea el sistema de alimentación por gravedad o por circulación forzada.
Circuito de retorno
Los distintos sistemas de alimentación cuentan con este circuito porque les devuelve parte del combustible, evitando así las sobrepresiones que tendrían lugar por dilatación o por funcionamiento inadecuado de bombas o válvulas.
Conductos de ventilación.
El tubo de ventilación del tanque de almacenamiento debe tener un diámetro interior mínimo de 4 cm y su recorrido presentará una ligera pendiente hacia el tanque para evitar codos, trayectorias horizontales y curvas que puedan dificultar la trayectoria de los gases, especialmente durante la descarga del combustible. El tubo no penetrará en el tanque más de 2 cm, saliendo al exterior hasta una altura superior a 2.5 m del nivel del suelo, terminando en una “T” con los extremos hacia el suelo tapados con tela metálica cortafuegos tipo minero, lejos del alcance de ventanas y de conducciones eléctricas.
C.- COMBUSTIBLES GASEOSOS.
Podemos dividirlos en 3 grupos fundamentales, el gas ciudad, el gas natural, y los gases licuados del petróleo (GLP), es decir el butano y el propano.
El gas ciudad se produce de forma continua y es almacenado en las propia fábrica en gasómetros para su distribución posterior a la red de suministro.
El gas natural se almacena en fase líquida en depósitos, y a través de una planta de regasificación, se alimenta a la red de distribución o el correspondiente gaseoducto.
Los GLP si se someten a una presión relativamente baja o se enfrían, pasan a fase líquida, produciéndose una disminución del volumen que se aprovecha para su almacenamiento en depósitos fijos o móviles. Los depósitos móviles son las conocidas botellas de 12.5 Kg o 35 Kg.
En cuanto a los GLP a granel, se almacenan en depósitos construidos de acuerdo con el Reglamento de Recipientes a Presión. La construcción se realiza a partir de una chapa de acero laminada y se termina con una pintura reflectante blanca o clara cuando el depósito se instale en superficie o aéreo, y con una de tipo bituminoso, si el depósito es enterrado. Su forma geométrica de construcción puede ser cilíndrica o esférica.
Los elementos componentes de estos depósitos son los siguientes:
– Una boca de carga.
– Un indicador de nivel.
– un indicador de nivel máximo.
– Manómetro.
– Válvula de seguridad
Estos elementos se sitúan en la capota del depósito.
Como complemento de la instalación pueden ser accesorios otros equipos auxiliares, como son el equipo de trasvase de la instalación, aparatos de medida, etc.
2.2. Quemadores.
Los quemadores son los equipos destinados especialmente a producir la reacción exotérmica de la combustión. Son, junto a la caldera, la parte principal del circuito combustibles-humos, y están destinados a producir y transferir calor desde el combustible hasta el fluido que lo distribuye a los diferentes apartados terminales.
Las calderas que trabajan mediante combustibles sólidos (carbón o madera), carecen del quemador, ya que este es utilizado solo para calderas que utilizan combustibles líquidos o gaseosos.
La combustión en un quemador se produce al entran en contacto el combustible con el aire, los quemadores de combustibles gaseosos no necesitan realizar ningún tipo de tratamiento del combustible para obtener una perfecta combustión, ya que se encuentran en las condiciones idóneas para realizar una buena mezcla con el aire.
Sin embargo, los quemadores de combustibles líquidos necesitan disponer de la citada preparación, para que el combustible a quemar alcance un estado semejante a la fase gaseosa, que permita una buena mezcla con el aire antes de su combustión. Bajo este punto de vista se clasifican en dos grandes grupos:
– quemadores de gasificación: son aquellos en los que se produce inicialmente la vaporización del combustible para que a continuación, éste reaccione con el aire.
– Quemadores de pulverización, son aquellos en los que se obtienen pequeñas gotas de combustible líquido, que al calentarse, se evaporan o arden al encontrarse en contacto con el aire.
Por último indicar que la potencia térmica desarrollada por un quemador implica la regulación del caudal del combustible y conlleva la correspondiente regulación del caudal de aire. Existen básicamente tres tipos de regulación:
– Todo-nada o quemadores de una marcha. El caudal de combustible es constante, y el quemador trabaja o está parado.
– Todo-poco-nada o quemadores de dos marchas. En el que existen dos potencias de funcionamiento, lo que se consigue colocando dos boquillas de forma que quemen las dos, una o ninguna.
– Modulante o quemadores modulantes. Que siempre realiza su encendido a consumo mínimo y a continuación adapta su consumo a la diferencia entre la señal medida y la señal de consigna del presostato o termostato modulante.
2.3. Caldera.
La caldera es el componente esencial de una instalación de calefacción. En ella, el calor producido al quemarse un combustible se transfiere al fluido que circula por la caldera. El fluido normalmente utilizado es agua, denominándose en este caso, calderas de agua caliente.
Analizando la amplia oferta existente, se hace difícil establecer un único criterio de clasificación, ya que éstos son muy diversos. Así pues, cada caldera puede tener distintas denominaciones según el criterio al que se haga referencia. Por ejemplo, se pude estar hablando de una misma caldera diciendo de ella:
– caldera de pie (según la colocación)
– cadera de fundición (en función del material que se utilice)
– caldera a gas (en función del combustible).
A continuación, se señalarán a modo de instrucción algunos de los criterios de clasificación de calderas.
CALDERAS SEGÚN EL MATERIAL UTILIZADO PARA SU CONSTRUCCIÓN.
Caderas de hierro fundido.
Están formadas por elementos de fundición gris acoplados entre sí mediante manguitos. En ella hay tres tipos de elementos: el delantero, el posterior y los medios (situados en el centro). La gama de potencias se consigue uniendo elementos medios.
La unión y estanqueidad de los elementos se realiza mediante rosca de los manguitos o con tirantes en el caso de que se trate de unos manguitos esféricos.
El circuito de humos opone muy poca resistencia a paso de los gases de combustión. El propio tiro de la chimenea vence esta resistencia, estando la caldera en depresión (fig. 4).
La superficie de la caldera en contacto con los gases de combustión es muy elevada. Hay que destacar además otras ventajas como son.
– Alta resistencia a la corrosión.
– Casi todos los modelos se pueden transformar para cualquier tipo de combustible.
– Con los elementos desmontables se puede transportar fácilmente a cualquier zona del edificio.
Calderas de acero.
Son las fabricadas con chapa de acero. Una vez soldadas al cuerpo de la cadera forman un conjunto monobloc (fig. 5).
El circuito de humos opone mucha resistencia al paso de los gases de combustión debido a los turbuladores, situados en los tubos que forman el haz tubular, que dificultan el paso de los gases con el fin de facilitar la transmisión de calor y aumentar así el rendimiento de la caldera. Los gases están a una cierta presión, de ahí el nombre de calderas sobrepresionadas.
La superficie de transmisión de calor es menor que en las calderas de fundición, pero gracias a la sobrepresión se consiguen elevados rendimientos. Otras ventajas importantes son:
– Poca sensibilidad a los cambios bruscos de temperatura.
– Necesitan poca mano de obra para su montaje.
– Tamaño reducido y poco peso.
CALDERAS EN FUNCIÓN DEL COMBUSTIBLE UTILIZADO
Calderas para combustible sólido.
Pueden quemar indistintamente leña o carbón y su combustión se genera en las parrillas de la caldera. La intensidad de la llama dependerá de la cantidad de aire que entre por la puerta reguladora de tiro. Esta puerta puede abrirse y cerrarse automáticamente gracias a la instalación de un regulador de temperatura del agua de la caldera.
Cuando se utiliza leña, la potencia calorífica de la caldera se reduce aproximadamente un 30% respecto al valor expresado para el carbón.
Este tipo de calderas dispone en la parte superior de una puerta de carga que es por donde su introduce el carbón, o la caldera. En la parte inferior va situada la puerta cenicero que es por donde se extraen las cenizas. En las parrillas se sitúa el combustible. Normalmente van refrigeradas por el agua de la caldera (calderas de fundición), (fig. 4).
Calderas policombustibes
Pueden utilizar cualquier tipo de combustible (sólidos, gasóleo y gas), generalmente son las de mayor aplicación. En el mercado, estas calderas se comercializan preparadas para quemar combustible sólido, pudiendo adaptarse fácilmente para utilizar gasóleo o gas mediante un equipo de transformación. Este equipo consta de puerta quemador, interruptor de seguridad y refractorio, y su montaje lo puede realizar el mismo usuario en pocos minutos (fig. 6).
El interruptor de seguridad se coloca en la puerta del quemador y su misión es la de dejar sin tensión eléctrica al quemador, si se efectúa la apertura de la puerta, impidiendo que pueda ponerse en funcionamiento.
Este tipo de calderas, todas ellas de pie (apoyadas en el suelo), queda englobado dentro de las llamadas calderas clásicas (caldera y quemador); si se utiliza combustible sólido se considera que el quemador lo constituyen las parrillas, las cuales, se pueden encontrar fabricadas tanto en fundición como en acero y en toda la amplia gama de potencias.
Calderas para gasóleo
El gasóleo utiliza un quemador mecánico. Este quemador puede ir acoplado en una caldera clásica o formar parte de una caldera compacta. En este último caso se obtienen rendimientos mayores, al poseer la caldera un diseño especifico para el quemador de gasóleo que lleva incorporado de serie.
Estas calderas son mayoritariamente de pie, si bien existe algún modelo de caldera mural con quemador de pulverización a gasóleo entre las compactas; hay muchos modelos de línea blanca, llamados así por sus dimensiones, por la construcción en chapa de acero y diseño que hace que se pueda integrar en la cocina como un electrodoméstico más (fig. 7).
El gasóleo es un combustible que necesita siempre de una instalación auxiliar que abastezca el quemador. Esta instalación consta de depósito de combustible, tubería de aspiración y de retorno; el bombeo de combustible puede hacerse por la bomba que incorpora el quemador o bien con una bomba auxiliar si la longitud de la instalación es superior a 20 m o el desnivel (fondo del depósito-quemador) supera los 3.5 m.
Caldera para gas.
Estas calderas pueden utilizar indistintamente cualquier tipo de gas: ciudad, natural y propano, (fig. 8).
La ventaja principal de este tipo de combustible (gas ciudad o gas natural) es que su abastecimiento es directo de la red, lo cual elimina su almacenaje y evita también los bombeos desde el depósito, alcanzando así mayor rendimiento por la facilidad con que puede ser regulado.
En el caso de utilizar propano será necesario disponer de una instalación auxiliar que abastezca el quemador, bien sea desde el depósito (igual que cuando se utiliza gasóleo) o desde bombonas de propano; esta solución ofrece menos autonomía pero cuenta con una instalación más sencilla.
Calderas eléctricas
Su funcionamiento se basa en el uso de la electricidad como fuente energética, el calor producido, mediante el efecto Joule, por una resistencia eléctrica inmersa en el agua contenida en un recipiente.
Son todas murales y se consideran adecuadas para instalaciones de calefacción por radiadores de agua caliente, mediante la instalación de un acumulador y sus accesorios para el consumo de la vivienda.
Se trata de calderas de reducidas dimensiones con una potencia útil ideal para viviendas en las que no exista calefacción y hay dificultades para utilizar otras energías, y para viviendas con antiguas instalaciones de calefacción donde se desee sustituir o dejar fuera de servicio la caldera existente para conseguir un funcionamiento automático para la instalación.
Para poder ajustar la potencia de la instalación a la de la caldera y evitar la necesidad de contratar una potencia eléctrica elevada, estas calderas llevan un cuadro de mandos con el que se puede seleccionar la potencia deseada.
La instalación de esta caldera es rápida y sencilla puesto que no necesita chimenea, tiene un peso reducido y también incorpora todos los accesorios necesarios para la instalación: el circulador, el depósito de expansión cerrado, la válvula de seguridad, el purgador automático, los termostatos y la regleta de conexiones eléctricas.
CALDERAS EN FUNCIÓN DE LA TECNOLOGÍA UTILIZADA.
Caldera mural.
Han sido creadas para responder a las necesidades de viviendas pequeñas y medianas. Son calderas preparadas para ser colgadas en la pared. Incorporan el quemador de tipo atmosférico, el depósito de expansión cerrado, el circulador, la válvula de seguridad y el cuadro de mandos.
Estas calderas se pueden utilizar, solamente para calefacción, como calefacción y agua caliente instantánea (fig. 9), o como calefacción y agua caliente sanitaria por acumulación (fig. 10).
Calderas clásicas.
Se llama caldera clásica al conjunto formado por caldera más quemador, entendiéndose que ambos elementos se suministran por separado, es decir, el usuario puede elegir el quemador más adecuado según sus exigencias. No obstante, los fabricantes aconsejan una gama especifica de quemadores para cada tipo de caldera.
Todas ellas pertenecen al grupo de las llamadas calderas de pie (fig. 11)
Calderas compactas.
El funcionamiento de la caldera compacta es como el de una caldera clásica. La diferencia entre ellas es el acoplamiento caldera-quemador: en la clásica para una misma caldera se puede elegir entre una gama de quemadores, mientras que en la caldera compacta el quemador va integrado y ambos elementos están pensados y diseñados para ir juntos, no pudiendo funcionar la caldera con otro quemador diferente del que viene de fábrica.
Gracias a este acoplamiento caldera-quemador, se consiguen rendimientos mayores que en las calderas clásicas. Las calderas compactas son de pie, y entre ellas hay una gran gama de las denominadas calderas de línea blanca que se caracterizan por su exquisito diseño y acabado, digno del mejor aparato de cocina (fig. 12).
Calderas modulares.
Se basan en el ensamblaje de diferentes módulos según la potencia que se necesita en cada momento. Su funcionamiento es en cascada, de manera que, según las necesidades de cada momento se van añadiendo o restando módulos de funcionamiento (fig. 13).
2.4. Mecanismos necesarios para la evacuación de humos.
La chimenea de una caldera tiene como misión la evacuación de los gases procedentes de la combustión hacia el exterior. En las calderas de combustible sólido, la chimenea tiene además como función la de aportar el aire necesario para la combustión de una manera natural, mediante la succión o tiro que ejerce la propia chimenea.
El tiro debe provocar la entrada del volumen de aire comburente previsto, en el sitio debido y en un tiempo determinado, y debe producir la evacuación de los humos o productos de la combustión. Existen dos tipos de tiro:
– Tiro natural, el movimiento de los fluidos y por tanto la evacuación de los humos se produce por las diferentes densidades de los gases, provocados por las diferentes temperaturas.
– Tiro forzado, el movimiento de fluidos se produce debido a la diferencia de presiones producidas por medios mecánicos externos al fluido.
Las características más importantes de una chimenea son su altura y su sección. El extremo superior debe tener suficiente altura para evitar turbulencias causadas por edificaciones vecinas que dificultasen el tiro.
Su construcción debe ser vertical evitando siempre ángulos inferiores a 60º. Hay que tener en cuenta que la chimenea es un elemento importantísimo en una instalación de calefacción; la mayoría de las veces la polución y el hollín no procede de una mala combustión sino de una chimenea defectuosa, por eso un buen dimensionado no sería efectivo si no se tienen en cuenta los siguientes factores: aislamiento térmico, materiales constructivos, diseño e instación.
Aislamiento térmico
Si la chimenea está bien aislada perderá poco calor y los humos no se enfriarán excesivamente. La temperatura de salida de lo humos debe ser superior a 100 ºC y en la entrada de la chimenea o salida de caldera, de 170 ºC. las perdidas de calor de las chimeneas están reguladas en las ITIC.08.2.2 vigentes en España.
Materiales constructivos
El reglamento utilizado en España dice que el material de la chimenea debe ser “resistente a los humos, al calor y a las posibles corrosiones ácidas que se pudieran formar. Podrán ser de materiales refractarios o de hormigón resistente a los ácidos, de material cerámico, de acero inoxidable u otro material idóneo”.
Diseño
La chimenea debe ser de sección constante en todo su recorrido, pudiendo ser circular, cuadrada, rectangular u ovalada. En el caso de ser rectangular la relación entre los lados debe estar comprendida entre 1.5 y 0.7.
Las superficies interiores de la chimenea debe ser lisas.
Instalación
La boca de la chimenea debe estar por lo menos 1 m más alta que cualquier construcción distante de ésta menos de 10 m, y las situadas entre 10-50 m de cualquier construcción deben estar a nivel no inferior al hueco más alto de dicha construcción.
En las chimeneas no puede por qué existir sombreretes, ya que éstos son causa de condensaciones ácidas y de contaminación.
En su base inferior, la chimenea posee un fondo de saco con un registro, que cierra herméticamente, en el que se deposita el hollín y el agua de lluvia de tal manera que, abriendo el registro, se tiene acceso a todos los residuos de la combustión; es necesario prever tantos registros como sea necesario para el mantenimiento de la chimenea, además de ser obligatorio en todos los tramos no verticales, a pesar de que se debe evitar siempre este tipo de tramos (fig. 14).
2.5. Sala de calderas.
Las salas de caldera deben cumplir los requisitos marcados, en España, en el Reglamento IT.IC. 07 en cuanto se refiere a espacios libres, accesos, resistencia al fuego y ventilación; así mismo se consideran salas de calderas aquellos espacios donde se encuentra ubicado el equipo de producción de calor, por el contrario no se consideran como tales todos aquellos locales en los que se sitúen calderas de calefacción de potencia inferior a 50 Kw (43000 Kcal/h). Es decir, será necesario disponer de una sala de calderas cuando la potencia nominal de la misma sea superior a 43000 Kcal/h.
En instalaciones con combustible gaseoso, en España se debe considerar además lo expuesto en la Norma UNE 60 601, Instalación de calderas a gas para calefacción y agua caliente de potencia superior a 70 kw (60000 kcal/h) y en las Normas Básicas de Instalaciones de Gas en Edificios Habitados.
Este local debe estar suficientemente dimensionado para poder realizar adecuadamente y sin peligro todas las operaciones de mantenimiento, limpieza, vigilancia y conducción. La IT.IC. vigente en España en su capitulo VII, Sala de máquinas, marca los siguientes requerimientos mínimos en cuanto a dimensiones:
“Entre los distintos equipos y elementos situados en la sala de máquinas existirá el espacio mínimo recomendado por el fabricante(…).
Concretamente para las calderas, este espacio será como mínimo de 70 cm entre unos de los laterales de la caldera y la pared, y de 60 cm entre el otro lateral y el fondo y las paredes de la sala. Entre el techo y la caldera, la distancia mínima será de 80 cm. Cuando existan varias calderas la distancia mínima entre ellas será de 60 cm, (fig. 15).
Con calderas de carbón y fuel, se deberá prever un espacio entre éstas y la chimenea igual, al menos, al tamaño de la caldera para poder colocar un depurador de humos o un economizador. Las distancias de los laterales a las paredes mencionadas antes podrán reducirse a 50 y 20 cm, respectivamente, cuando la superficie en planta de la caldera, sea inferior a 0.5 m2.
Las calderas de carbón en las que sea necesaria la accesibilidad al hogar, tendrán un espacio libre frontal igual, por lo menos, a vez y media la profundidad de la caldera. En cualquier tipo de calderas, el espacio libre en la parte frontal será igual a la profundidad de ésta, con un mínimo de un metro”.
La puerta de acceso a la sala de calderas debe comunicar con un lugar de fácil circulación y evacuación inmediata sin el obstáculo de una escalera o un vehículo aparcado delante.
Las salas de calderas deben disponer de la ventilación suficiente para que la combustión se realice de forma correcta. Deberá preverse, como mínimo una aportación de aire exterior de 200 Kg de aire por cada Kilogramo de combustible utilizado. Esta aportación de aire puede realizarse mediante ventilación directa, natural o forzada.
También hay que tener en cuenta dos aspectos:
– Las paredes deben tener una resistencia al fuego mínima de 120 minutos (RF-120).
– Las puertas deben ser incombustibles, y darán a un vestíbulo. Las sala debe estar suficientemente ventilada, a fin de evitar que la temperatura ambiente se eleve en exceso. Los elementos para la extinción de incendios deben estar perfectamente en buen estado.
2.6. Circulador
El circulador de una instalación de calefacción por agua caliente tiene por misión vencer las resistencias que ofrece el circuito al avance del agua por el interior. Una instalación de calefacción por agua podría funcionar sin circulación, por convección natural o efecto termosifón, esta calefacción sería una calefacción de puesta en marcha muy lenta, que necesitaría de conductos de gran diámetro. Por lo que hoy día, se considera necesario la instalación del circulador si se desea obtener una calefacción con puesta a régimen rápida y sin problemas.
2.7. Redes de tuberías.
Las redes de tuberías en instalaciones de calefacción responden en general a una problemática similar a lo correspondiente a las redes de fontanería en cuanto a su misión, que responde a la del transporte del fluido portador de calor hasta los hogares de emisión de éste, generalmente los aparatos radiadores.
La variación de materiales es menor que en fontanería, en la práctica solamente se utilizan los tubos de acero y los de cobre forjado. En cuanto a las tuberías de plástico tienen un uso muy especifico y adecuado en los sistemas de calefacción por radiación.
En la selección del material de la red de tuberías es muy importante considerar los problemas de corrosión, en este caso el acero es mucho más corrosible que el cobre.
Los condicionantes constructivos de las redes de calefacción son muy numerosos; las tuberías se deben colocar con las pendientes adecuadas (> 0.2%) para la evacuación automática del aire hacia el vaso de expansión o hacia los purgadores. Los tubos deben tendersen en línea recta formando ángulos rectos con las paredes y techos.
Finalmente, destacar que un elemento fundamental en todas las tuberías es el aislamiento. Los materiales que se suelen utilizar son las lanas minerales y los poliésteres, estos aislamientos deben ir revestidos por una red de hilos metálicos y finalmente un acabado puramente decorativo.
2.8. Elementos de caldeo.
El fin último de las instalaciones de calefacción consiste en transmitir a los locales que se desee una determinada cantidad de calor transportado por el fluido caliente a lo largo de las tuberías. Esta misión se logra, mediante la previsión en el local de unos elementos emisores de calor o de caldeo.
Los elementos emisores más importantes son los llamados radiadores. Quizá el detalle más importante de éstos sea su ubicación, ya que deben ir siempre junto a la pared de temperatura más fría.
Un elemento imprescindible en todo radiador es el purgador, que perita su períodoca evacuación de aire, que se suele acumular en ellos e impide la correcta circulación del agua.
Otro tipo de emisores son los llamados convectores, de los que los más habituales son los formados por un elemento central de caldeo, el cual calienta el aire frío introducido por unas aberturas inferiores, saliendo caldeado por la parte superior.
Por último, los aerotermos, constan de un ventilador eléctrico, una batería de elementos de caldeo alimentados por un generador central del fluido caliente, bien vapor, agua caliente o sobrecalentada. El flujo del aire, generado por el ventilador y calentado, se puede orientar hacia la parte del local deseado mediante unas persianas orientables.
2.9. Depósito de expansión
Las diferencias de temperatura a que se ve sometida el agua en un sistema de calefacción obligan a colocar dispositivos que absorban este aumento de volumen producido por las dilataciones del agua. Hoy en día, prácticamente la totalidad de calderas murales lo incorporan ya.
La capacidad del depósito debe ser la suficiente como para absorber la expansión que experimenta el agua al calentarse, ya que si no es así, los rellenos periódicos de agua crean incrustaciones calcáreas y éstas pueden ser causa de una grave avería en el deposito.
Según el tipo de deposito, la instalación será de circuito abierto o cerrado.
Cuando posee un deposito abierto el agua está en contacto con la atmósfera, siempre debe ir colocado en el punto más alto de la instalación. Este tipo de depósitos en la actualidad está en desuso ya que el depósito de expansión cerrado presenta mayores ventajas.
Los depósitos cerrados funcionan por compresión de una cámara de aire contenida en el interior del mismo y separada del agua de la instalación por una membrana flexible (fig. 16).
De esta forma el agua de la instalación no tiene ningún punto de contacto con la atmósfera. Cuando el agua aumenta de volumen crea una sobrepresión que es absorbida por el deposito, después, cuando el agua reduce su volumen, la membrana devuelve el agua a la instalación.
Este tipo de deposito es el mas empleado en las actualidad debido a sus ventajosas características:
– Fácil montaje, se instala en la misma sala de calderas.
– No absorbe oxígeno del aire, ya que el agua no está en contacto con la atmósfera, evitando así riesgos de corrosión.
– No necesita conductos de seguridad (de caldera al depósito).
– No tienen pérdidas de agua por evaporación, evitando corrosión e incrustaciones.
2.10. Elementos complementarios y accesorios
Existen diferentes accesorios que intervienen para que exista un óptimo funcionamiento del circuito, beneficiando así las posibilidades de transferencia térmica en los espacios previstos.
Dos muy importantes son los dilatador y los soportes del sistema de tuberías
3. CIRCUITOS CARACTERÍSTICOS DE CALEFACCIÓN.
Existen muy diversas clasificaciones que permiten establecer una sistemática muy variada (por ejemplo, según los tipos de combustibles, tipos de redes, etc.), pero para no prolongar en excesivo el tema, dividiremos los sistemas según su principal utilidad, y según el mecanismo de transmisión del calor.
Se debe hacer la salvedad, de que aunque ciertos sistemas se utilizan fundamentalmente en viviendas, pueden ser utilizados también en industrias.
3.1. Instalaciones en edificaciones no industriales
3.1.1. Calefacción por agua caliente o convección natural.
Son las instalaciones más comunes en viviendas. Pueden considerarse de dos tipos fundamentales:
– Instalaciones abiertas. El agua del circuito está en contacto con la atmósfera a través de un depósito de expansión situado en la parte superior de la instalación. Se alcanzan temperaturas de 90-95ºC en el agua empleada como fluido caloportador.
– Instalaciones cerradas. En este caso no existe contacto directo aire-agua, al ir dotados de vasos de expansión de tipo cerrado o herméticos. El agua puede alcanzar temperaturas cercanas a los 100 ºC, y si las instalaciones están dotadas de sistemas de mantenimiento de altas presiones, se pueden alcanzar temperaturas superiores a los 150 ºC, mediante agua sobrecalentada.
El funcionamiento de estas instalaciones es el siguiente: el agua que llena completamente la red de tuberías, es calentada por la caldera y conducida a los calefactores en los que cede parte del calor absorbido en la caldera, enfriándose por tanto y retornando a la caldera. El movimientos del agua se realiza mediante una instalación con bombas. La instalación debe de contar con pulgadores para eliminar las “bolsas” de aire que se produzcan e impiden la correcta circulación del agua.
Circuitos característicos
Existen dos tipos de instalaciones para transportar el agua hasta los radiadores: el sistema monotubular y el bitubular.
A) Sistema monotubo.
Este sistema se caracteriza por su simplicidad. Básicamente es un anillo de tubo con idéntico diámetro en todo el recorrido, al cual se conectan los radiadores con una entrada y una salida.
En el sistema antiguo, el radiador quedaba conectado al tubo de forma que el agua recorría el elemento emisor sin que existieran llaves que permitieran regular o cerrar el paso de agua por uno o varios radiadores.
Actualmente, se utiliza un sistema en el cual se mantiene el circuito de un tubo, pero la conexión del radiador se efectúa mediante una llave (fig. 17), que permite la independización del emisor respecto al circuito.
Dada la simplificación del sistema monotubo su utilización se centra en calefacciones individuales (viviendas, chalés, etc.) con una sola planta y con un número de radiadores que a ser posible no supere los siete (fig. 18).
El problema de una instalación monotubular puede presentarse cuando el número de radiadores excede el aconsejable y se ha de recurrir a varios anillos. Una solución, en el caso de un anillo doble es el sistema que aparece en la figura 19, donde se establecen dos sentidos de circulación para la ida y un único tubo de retorno con el circulador en el.
B) Sistema bitubo.
A diferencia del sistema monotubo, el sistema bitubular establece un circuito de ida al cual van conectándose los radiadores y un circuito de vuelta al cual van desaguando los mismos.
Su principal ventaja consiste en que no limita el número de radiadores que se quiera conectar ni el número de plantas a las que se quiera servir.
Dentro de las diferentes posibilidades que se ofrecen en un montaje bitubo, existe la distribución por montantes (fig. 20), en la que el número de montantes es elevado, pero el número de radiadores conectados al montante por planta es bajo.
Sin embargo en la distribución por anillos (fig. 21), el número de montantes se reduce, pues en cada uno de ellos se conecta un anillo por planta, al cual se adapta un número elevado de radiadores.
La adopción de uno y otro sistema deberá fundamentarse en el número de plantas, posibilidades de espacio para subir muchos o pocos montantes, número de radiadores que se pretende conectar por planta, pérfidas de carga de la instalación, etc.
El sistema bitubo, en sus inicios, se basó en el principio del termosifón, según el cual el agua caliente por diferencia de densidad asciende, desplaza al agua fría y llena el circuito. La circulación queda asegurada durante el funcionamiento por este mismo principio. Este sistema suponía diámetros considerables y una inercia de puesta en marcha exagerada. Actualmente, este sistema está totalmente desechado se utiliza el sistema de circulación forzada. Este es el mejor sistema empleado para cuando el número de radiadores resulta elevado o los recorridos son muy largos.
3.1.2. Calefacción por convección forzada.
En estas instalaciones se trata fundamentalmente de calcular el aire, ya directamente en un aparato de producción (es decir un generaldor de aire caliente), o al contacto con una tubería de caldeo (aerotermo), y de impulsarlo por un ventilador a través de una red de canales, conduciéndolo hasta los locales que es preciso acondicionar, en los cuales se distribuye por bocas de insuflación.
La gran ventaja de este tipo de instalaciones es que instalando en los elementos terminales de la instalación filtros y humectadores, se puede lograr el acondicionamiento hidrotérmico de los locales mediante los denominados climatizadores.
Aunque a veces se presenta en edificios residenciales, este tipo de instalación no es habitual observarla en viviendas, sino que se suele utilizar para grandes espacios, como son: gimnasios, colegios, hipermercados o locales industriales.
Los mencionados generadores de aire caliente son unidades centrales que producen un calentamiento del aire, que actúa como fluido caloportador, consiguiéndose temperaturas comprendidas entre 65 y 100ºC en la salida del aire con destino a la calefacción directa o mediante conductos. En aplicaciones industriales se alcanzan temperaturas de valores próximos a 250 ºC.
3.1.3. Calefacción por radiación.
Otra variante de la calefacción por agua caliente, consiste en sustituir los emisores de calor, ya mencionados, por unos serpentines de tuberías, que discurren empotrados, bien por suelos o techos, o bien por paramentos verticales, consiguiendo de esta forma una gran superficie de calor radiante, que recibe el nombre de “calefacción por radiación”, teniendo presente que el medio se caldea, también por convección, con el mismo grado que pueda alcanzar la radiación.
Recientes estudios, han demostrado que el grado de confort que se puede alcanzar dentro de un medio con cerramientos depende, tanto de la temperatura interior del aire, como de la temperatura media de los cerramientos, a la altura del cuerpo de una persona, por ello, se define como temperatura seca resultante (o de confort), a la temperatura media entre las paredes y el ambiente
Tsr = Tp + Ta / 2
Dependiendo por tanto el confort, de esta temperatura resultante, ésta se puede lograr bajando la temperatura del aire a base de aumentar la de los paramentos o viceversa.
Por ellos, con la calefacción radiante, se consigue reducir la temperatura del aire, a valores inferiores a los 18 ºC, con lo cual, se experimenta la agradable sensación de una respiración con aire más frío, sin perder el grado de confort, ya que la temperatura de los paramentos es mayor.
Distintas investigaciones han llegado a la conclusión de que la calefacción radiante por suelo produce mayor confort, ya que el calor en los pies produce mayor bienestar que en la cabeza, donde si sobrepasa cierto valor, resulta molesto.
La disposición actual de esta calefacción por suelo radiante, consiste en unos serpentines, formados por tubos (generalmente de cobre, acero, polietileno reticulado o polipropileno), por cuyo interior circula el agua caliente, a una temperatura de unos 40 ºC (según zona climática), para conseguir en el suelo una temperatura siempre inferior a 29 ºC. Dichos serpentines, se distribuyen por locales o habitaciones, cerrando el circuito con el foco de calor y regulada su temperatura por una válvula mezcladora, que son accionadas por termostatos ambientales, partiendo todos los circuitos de un distribuidor próximo a la caldera, al que llega el agua forzada por la acción de una bomba.
Este sistema, presenta la gran ventaja de economía de espacios, (al no tener emisores de calor), dejando libre toda la superficie, sin perder de vista la reducción que se puede producir por el uso del suelo, con alfombras, muebles, etc. Sus inconvenientes mayores, residen en las dificultades para conseguir la purga de aire, de los serpentines y al repercusión de las posibles fugas de agua en los suelos.
3.1.4. Calefacción eléctrica
Se denominan instalaciones eléctricas de calefacción a aquellas instalaciones que utilizan la electricidad como fuente de energía (efecto Joule). Joule descubrió experimentalmente que el paso de una corriente eléctrica por un conductor se disipa calor.
Los sistemas de calefacción eléctrica se clasifican en:
– Calefacción directa; los aparatos ceden calor conforme este se va produciendo.
– Calefacción por acumulación, que permiten producir y almacenar calor durante un cierto periodo de tiempo, para cederlo al ambiente cuando sea necesario.
Debido al elevado coste de esta energía se ha empleado sólo en instalaciones individuales.
3.2. Instalaciones en edificaciones industriales.
Como se ha indicado, algunos de los sistemas explicados en el apartado 3.1. pueden utilizarse indistintamente en edificios de viviendas o en zonas industriales. En este apartado se describen los sistemas de calefacción más típicos en la industria.
Estos sistemas son muy similares en todos los aspectos a los tratados en el apartado anterior, con la salvedad de que el fluido caloportador circula a temperaturas mayores, por lo que los elementos de seguridad se ajustan con mayor atención.
3.2.1. Calefacción por agua sobrecalentada.
Se utiliza en plantas industriales, y en grandes calefacciones centralizadas urbanas. Desde la central térmica, por una red primaria de tuberías se distribuye el fluido caloportador a una serie de locales llamados subcentrales, una por edificio, y de donde se distribuye el fluido por todo el edificio a través de una red secundaria de tuberías.
El circuito secundario es igual a los de agua caliente explicados anteriormente. El circuito primario se asemeja a una distribución monotubo, sin ninguna diferencia reseñable, salvo la especial rigurosidad en el diseño de depósitos de expansión, y de los elementos resistentes a sobrepresión y sobrecalentamientos.
3.2.2. Calefacción por aceites térmicos
Los aceites térmicos son líquidos empleados en instalaciones que trabajen a temperaturas cercanas a los 300 ºC, a la presión atmosférica normal y sin que el fluido cambie de estado.
El campo de utilización es el sector industrial, en el que pueden requerirse temperaturas de ese orden y en el que, en muchos casos, y mediante intercambiadores de calor se emplea simultáneamente para la calefacción de la planta industrial.
Los aceites térmicos pueden utilizarsen tanto en fase líquida como de vapor.
Como notas especiales de este sistema de calefacción cabe decir que las tuberías deben ir montadas en acero estirado sin soldadura o acero inoxidable, y que la capacidad del deposito de expansión debe dimensionarse ampliamente.
3.2.3. Calefacción por vapor.
Son los sistemas que utilizan como fluido caloportador el vapor de agua, que para aplicaciones industriales suele ir a presiones superiores a los 3 bares. Como detalle a destacar de este tipo de instalaciones es que las tuberías deben tener unas pendientes determinadas (8-10%) para facilitar la evacuación de las posibles condensaciones de su interior.