Cálculo del vaso de expansión de una instalación solar térmica

El dispositivo de expansión cerrado del circuito solar deberá estar dimensionado de tal forma que, incluso después de una interrupción del suministro eléctrico a la bomba de circulación, justo cuando la radiación solar sea máxima, se pueda restablecer el funcionamiento de la instalación automáticamente cuando el suministro esté disponible de nuevo.

Ello forma parte de la seguridad intrínseca de la instalación solar, es decir de la posibilidad de volver a ponerse en servicio automáticamente sin la intervención del titular ni personal de mantenimiento. Para ello es vital que el vaso de expansión esté bien diseñado y sea capaz de recoger toda la expansión que se produce en el líquido solar durante un estancamiento donde se suele producir la formación de vapor en los captadores.

El vaso de expansión debe ser capaz de recoger en su interior:

•        El volumen de la dilatación del fluido primario hasta las máximas temperaturas de funcionamiento.
•     Tendrá un volumen de reserva, que cubrirá una posible contracción del líquido en caso de heladas.
•   Recogerá el volumen desplazado por la formación de vapor durante un estancamiento en los colectores solares.

Así el volumen útil de un vaso de expansión será:

V_útil = V_dilatado + V_reserva + V_vapor

Veamos como iremos calculando todos estos volúmenes.

Cálculo del volumen dilatado

 La temperatura máxima de una instalación solar está en torno a los 140 ºC, pues a partir de ahí lo que se suele formar es vapor en los captadores. Ello depende de la presión de la instalación y del porcentaje de propilenglicol.

Primeramente debemos calcular del coeficiente de expansión (C_e) del líquido. Ello depende de la temperatura máxima de la instalación y del porcentaje de propilenglicol.

Temperatura	Coeficiente de expansión
60	0,0108
70	0,01818
80	0,02556
90	0,03294
100	0,04032
110	0,0477
120	0,05508
130	0,06246
140	0,06984

C_e = (-33,48 + 0,738xT) x 10^-3

donde T es la temperatura en ºC.

Estos valores son válidos para agua. Cuando utilicemos glicoles debemos multiplicar por el siguiente factor de corrección:

f_c = a x (1,8xT + 32)^b

Donde a y b son factores que dependen del porcentaje en volumen del glicol (G):

a = -0,0134x(G²-143,8xG+1918,2)

b = 3,5 x 10^-4 x (G² – 94,57xG + 500)

Para un porcentaje del 40 % de glicol en agua podemos tomar el C_e aproximadamente de 0,085 para 140 ºC.

Así el Volumen dilatado será:

V_dilatado = V_total x C_e

Lógicamente el volumen total es el contenido en: 

• Ø  Captadores.
• Ø  Tuberías.
• Ø  Intercambiador.

L   Los volúmenes de los captadores y del intercambiador será un dato que habrá que buscar en las fichas técnicas de dichos productos.

   

    El volumen de agua de las tuberías depende del diámetro y longitud de las mismas. Se calcula por geometría resultando:

  

Diámetro	Contenido de agua en litros por metro
15x1	0,133
18x1	0,154
22x1	0,201
28x1	0,314
35x1	0,855
42x1	1,257
54x1,5	2,042

    Cálculo del volumen de reserva

   Debemos tener cierto volumen de reserva para poder purgar la instalación y tener un volumen disponible para entregar al circuito en caso de tener una helada.

   El volumen de contracción al pasar el líquido de 20 a -24 ºC podemos estimarlo en 0,029, y debemos tomar un mínimo de 3 litros.

V_reserva = 0,029 x V_total

   Cálculo del volumen vaporizado

Consideraremos que se puede vaporizar todo el volumen de los colectores solares más un 10 %.

    para cubrir parte del volumen de las tuberías que pudieran contener vapor de agua.

V_vaporizado = V_captadores x 1,10

   Coeficiente de presión

   Hemos de considerar las presiones de trabajo de la instalación:

- Presión mínima o de llenado de la instalación.

- Presión máxima que puede alcanzar la instalación.

  El cálculo del coeficiente de presión (C_p) se calcula utilizando la ley de los gases perfectos, para variaciones de volumen a temperatura constante (ley de Boyle y Mariotte), que para vasos de expansión con diafragma será:

    Cp = PM / ( PM - Pm)

   donde P_M es la presión máxima absoluta de la instalación, y P_m es la presión mínima absoluta de la instalación.

   Calculemos estas presiones absolutas (presión manométrica más presión atmosférica).

   La presión mínima será función de la presión de la presión mínima de funcionamiento de la instalación más un pequeño margen de seguridad.

  
   

Esta presión mínima evitará que se vaporice con facilidad el líquido solar ante una ligera sobre temperatura (a mayor presión, mayor temperatura de ebullición).

Así la presión de llenado de la instalación será:

P_llenado = P_minima + 0,1xP_estática

P_minima oscila entre 1,5 y 2,5 bar.

P_estática es la diferencia de metros entre la cota de los captadores y la sala de máquinas.

Así la presión P_m será:

P_m = P_llenado + 1 + 0,5

El valor 1 es la presión atmosférica y 0,5 es el margen de seguridad que se suele dar y que puede alcanzar valores de 0,5 dependiendo de la temperatura del sistema (para sistemas de temperatura máxima de 90 ºC toma un valor de 0,2).

La presión máxima de funcionamiento será ligeramente menor que la presión de disparo de la válvula de seguridad (P_vs).

Se elegirá el menor de estos valores:

·         P_M = 0,9xP_vs + 1

·         P_M = P_vs + 0,65

Así el volumen total o nominal que deberá disponer un vaso de expansión será:

V_vaso = V_útil x C_p

Seleccionaremos el volumen del vaso comercial inmediatamente superior al volumen del vaso necesario. Tampoco existe ningún problema en sobredimensionar un vaso de expansión.

Funcionamiento de un baso de expansión

Hagamos un ejemplo:

Tengamos una instalación que consta de:

·         12 captadores Vaillant modelo auroTHERM VFK 135 D

·         80 metros de tubería de cobre de diámetro nominal 28 mm.

·         Intercambiador de placas con una capacidad de 4 litros.

La altura manométrica de la instalación (medido desde la parte alta de los captadores hasta la ubicación del depósito de expansión es de 8 metros de columna de agua.

La presión de disparo de la válvula de seguridad será de 6 bar.

Paso 1. Cálculo del volumen del fluido primario.

De la ficha del captador observamos que la capacidad unitaria volumétrica del mismo son 1,34 litros.

12 captadores x 1,34 = 16,08 lts.

La tubería de cobre de 28 tiene una capacidad de 0,314 litros por metro lineal.

80 m x 0,314 l/m = 25,12 litros

La capacidad volumétrica total será:

16,08 + 25,12 + 4 = 45,2 litros

Paso 2. Cálculo del volumen dilatado.

Tomando el coeficiente de dilatación de 0,085 para agua con anticongelante, obtenemos una dilatación de:

V_dilatado = 45,2 x 0,085 = 3,84 litros

Paso 3. Cálculo de la reserva.

Para un volumen de la instalación de 45,2 litros, debemos dotar a la instalación de una reserva de líquido de:

V_reserva = 0,029 x 45,2 = 1,31 litros, pero tomaremos un mínimo de 3 litros.

Paso 4. Cálculo del volumen vaporizado.

Considerando el volumen del campo de captadores de 16,08 litros, el volumen vaporizado será:

V_vaporizado = 16,08 x 1,10 = 17,69 litros.

Paso 5. Cálculo del volumen útil que deberá disponer el vaso de expansión.

Será la suma de los volúmenes obtenidos previamente.

V_util = 3,84 + 3 + 17,69 = 24,53 litros.

Paso 6. Cálculo de las presiones de trabajo.

 Deberemos calcular las presiones absolutas máximas y mínimas de trabajo.

Para determinar la presión máxima aplicaremos las siguientes expresiones en función de la presión de la válvula de seguridad, P_vs (6 bar):

• Ø  P_M = 0,9 x 6 +1 = 6,4 bar.
• Ø  P_M = 6 + 0,65 = 6,65 bar.

Eligiendo el menor de ambos:

P_M =  6,4 bar

La presión mínima es función de la presión de llenado de la instalación, que salvo en sistemas sobrepresionados, será función de la altura manométrica (h = 8 mca) de la instalación. Siendo en este caso:

P_llenado = 2 + 0,1 x 8 = 2,8 bar

Así la presión mínima será:

P_m = 2,8 + 1 + 0,5 = 4,3 bar

 

Altura manométrica de un vaso de expansión.

Paso 7. Cálculo del coeficiente de presión.

Cp = 6,4 / ( 6,4 - 4,3 ) = 3,05

Paso 8. Cálculo del volumen del vaso.

Directamente lo calculamos con el los datos obtenidos del volumen útil (24,53 litros) y el coeficiente de presión (3,05).

V_vaso = 24,53 x 3,05 = 74,81 litros

Seleccionaremos un depósito de expansión dentro de la gama comercial inmediatamente superior al calculado, por ejemplo, dispondremos un vaso de expansión de 80 litros.

En próximos artículos trataremos el diseño y ubicación del vaso de expansión, correcto montaje, presión de la cámara de nitrógeno, mantenimiento y cuando tenemos la necesidad de colocar un prevaso de expansión (depósito tampón).

Javier Ponce

FORMATEC

javiponce-formatec.blogspot.com

Puesta en marcha de la instalación solar

En la mayor parte de las instalaciones solares térmicas se creen tener claros los pasos a seguir en una puesta en marcha (Tabla 1), a pesar de que la realidad refleja fallos habituales que provocan peor rendimiento energético en las instalaciones y una reducción en su vida útil.

Comprobación de estanqueidad del campo de captadores

Para evitar problemas de conexiones defectuosas o posibles poros se hace la primera prueba de estanqueidad, con agua o aire. El aire permite retocar las soldaduras sin tiempo de espera. Esta comprobación se hará a presiones altas (cercanas a las máximas admisibles por los captadores y tuberías), asegurándose de no tener conectados aquellos componentes de la instalación cuya máxima presión de trabajo sea inferior la usada para la prueba, es decir, vaso de expansión, sistema de bombeo, separador de aire, etc.

Tarado del vaso de expansión

El vaso de expansión ha de ser capaz de absorber la dilatación del fluido que se produce en los momentos de estancamiento, es decir, con riesgo de sobrecalentamiento. Generalmente los vasos de expansión vienen tarados de fábrica a presión superior a la de trabajo, por lo que será necesario adaptarla a las necesidades de cada instalación.

Figura 1

En primera instancia, se debe haber calculado la presión del circuito(1). El vaso de expansión debe quedar tarado con una presión de 0,3 bar inferior a la de la instalación₍₂₎. Es importante recordar que el contenido del vaso de expansión es nitrógeno ya que en su interior contiene una membrana con partes metálicas que con oxígeno se oxidaría. El manómetro (Fig. 1) es imprescindible para esta comprobación. Según los Servicios de Asistencia Técnica, es muy reducido el número de instaladores que tienen un manómetro a mano como herramienta básica.

Limpieza, llenado y comprobación de estanqueidad total

Figura 2

Es recomendable hacer un limpiado con agua de toda la instalación a circuito abierto para eliminar posibles restos de soldaduras que obstruirían el paso del fluido además de alterar sus propiedades. En instalaciones con purgadores en la parte superior y una sola toma de llenado en la inferior, no es posible realizar este tipo de limpieza.     Inicialmente se llenará el circuito primario con una presión superior a la calculada(1), que se reducirá posteriormente. Es muy importante que la fase de llenado se haga con escasa radiación solar (a primera o última hora del día) ya que, al estar la bomba de primario parada, el fluido estancado podría llegar a altas temperaturas y evaporarse, formando bolsas de aire en la instalación que ocasionan problemas en la circulación y, por supuesto, en el llenado. Si esto no fuera posible, se puede realizar tapando los captadores. 

Figura 3

Debido a la capacidad del glycol de penetrar en ranuras finas, por su menor tensión superficial en comparación con el agua, es necesario hacer una nueva prueba de estanqueidad, esta vez con el fluido caloportador.

El fluido caloportador en los circuitos es imprescindible para evitar congelaciones y debe ser capaz a su vez de resistir altas temperaturas. Se comprobará su temperatura de congelación con un medidor de densidad (Fig. 3). La estación de llenado (Fig. 2) suministra presión y caudal que permiten velocidades de fluido óptimas para el arrastre de burbujas de aire, purgando así la instalación mientras se llena, limpiando el circuito y permitiendo mezclar anticongelante con agua previamente.

Purgado de la Instalación

Figura 4a

Las bolsas de aire en una instalación son uno de los principales problemas: afectan a las conexiones de los colectores, reducen el caudal del fluido de trabajo y por tanto el rendimiento del sistema, y estropean el glycol. Por todo, ello un correcto purgado es imprescindible. Si esta operación se hace mediante purgadores, es importante colocar una llave de corte antes del purgador para asegurarse de que el circuito es completamente estanco. Si se utilizan separadores de aire, llevarán un purgador manual, con el que se eliminarán las microburbujas tantas veces como sea necesario en el transcurso de la puesta en marcha.

Figura 4b

Respecto a los purgadores (Fig. 4b) y el separador de aire (Fig. 4a), existe el riesgo de que la velocidad del fluido sea capaz de arrastrar las burbujas al circuito sin que los purgadores puedan evacuarlas por eso es necesario tener un separador de aire Fig. 5). Instalarlo en la parte caliente e inferior del circuito facilita el mantenimiento.  

Figura 5

Recuerda que una sección mayor reduce la velocidad de circulación, dejando que las burbujas dejen de ser arrastradas por el fluido y suban. Con el purgador manual se expulsa el aire.

Ajustes de presión y caudal

La presión y el caudal son los últimos parámetros a controlar en la puesta en marcha. Para regular la presión final a la que debe quedar la instalación, se abrirá la válvula de vaciado hasta conseguir la presión adecuada mencionada anteriormente(1). Como el vaso de expansión tiene 0,3 bar por debajo de la presión final de la instalación(2) se consigue así un remanente del fluido caloportador en el vaso que podría reponerse al circuito en el caso de temperaturas exteriores menores a las del momento del llenado, así como evitar sequedad o que ésta quede adherida a la pared del vaso (Tabla 2). En cuanto al caudal final de la instalación, será recomendable ajustarlo en cada caso al indicado por el fabricante. Su ajuste se hará a través de la velocidad de la bomba, estrangulando su válvula de cierre hasta conseguir ese caudal buscado. El caudalímetro es imprescindible para poder leer el caudal de la instalación.

Buenas prácticas

La función de un llenado automático desde red no es recomendable. El riesgo existente es que se puede introducir cal en el circuito de forma incontrolada, no se detectan posibles fugas en la instalación, el glycol se diluye sin ningún control y se pierde la concentración de la fluido caloportador para evitar las heladas. Generalmente se conduce la salida de la válvula de seguridad a un desagüe de recogida. De este modo es muy difícil controlar y cuantificar las posibles pérdidas de la instalación y además la normativa de instalaciones térmicas no permite el desagüe a altas temperaturas. Recomendamos conducir la válvula de seguridad a un recipiente, una garrafa, por ejemplo.

Confiamos que los puntos aquí tratados ayuden a guiar un correcto proceso de puesta en marcha, que reduzca al máximo los sucesivos fallos que las instalaciones y los usuarios padecen como consecuencia de falta de rigor durante el citado proceso y todo ello, sirva para mejorar su rendimiento y vida útil.

Tabla 1. Pasos generales de una puesta en marcha		Tabla 2. Ejemplo de tarado del vaso de expansión
1. Comprobación de estanqueidad del campo captador. 2. Tarado del vaso de expansión. 3. Limpieza de instalación con agua para posterior llenado con fluido caloportador (agua-glycol). 4. Comprobación de estanqueidad del total de la instalación con fluido caloportador. 5. Purgado de la instalación. 6. Ajustado de presión de la instalación. 7. Ajustado de caudal especifico recomendado por el fabricante del captador. 8. Asegurarse del correcto funcionamiento de toda la instalación antes de darla por finalizada.		Datos de partida: Presión inicial de captadores = 1,3 bar Altura entre campo colector y vaso de expansión, h = 10 m. Tarado: Presión recomendada de trabajo en la instalación = Presión inicial de captadores + (0,1 x h) = 1,3 x 0,1 x 10 = 2,3 bar Presión recomendada de vaso de expansión = Presión recomendada de trabajo en la instalación - 0, 3 bar = 2 bar.

(1) Presión inicial en la instalación = 1,3 bar + 0,1 x altura en metros de los captadores respecto al vaso de expansión

(2) Presión en el vaso de expansión = Presión de la instalación - 0,3

Manual de uso del glicómetro

Comprobación de la protección anticongelante del líquido solar.

Sacar algo de líquido solar por la válvula de vaciado.

! Atención !, Tened cuidado con las quemaduras.

Analizar la muestra con el glicómetro.

Una vez llenado el glicómetro, su indicador marcará la temperatura de congelación de la muestra.

Recuerda que la temperatura de congelación depende del porcentaje de anticongelante disuelto en el agua:

Temperatura de congelación (Cº)	0	-3	-7	-15	-24	-34
Porcentaje en volumen de propilenoglicol %	0	10	20	30	40	50

Y el paso final es:

Proceder a la limpieza del aparato.

Nuevo Documento de Ahorro de Energía en la Edificación

Continuando con los cambios normativos que están cambiando el panorama energético nacional, se publicó el pasado Jueves 12 de septiembre en el BOE número 219, la Orden del Ministerio de Fomento FOM/1635/2013, por la que se actualiza el Documento Básico DB-HE "Ahorro de Energía" del Código Técnico de la Edificación, que se aprobó por Real Decreto 214/2006, de 17 de marzo.

Este Documento Básico está destinado a establecer las reglas y procedimientos que permiten cumplir con el requisito básico de ahorro de energía. De tal modo que el cumplimiento de sus exigencias supone el cumplimiento de las exigencias básicas.

La principal novedad es que el documento pasa a constar de 6 secciones (antes eran 5), pues aparece una nueva sección HE 0 sobre la Limitación del Consumo Energético.

Queda estructurado el documento del siguiente modo:

• Sección HE-0, dedicada a limitar el consumo energético de energía primaria no renovable en los edificios. Esta sección se relacionará con las secciones HE 1 a HE 5.
• Sección HE-1, destinada a la limitación de la demanda energética a través de proporcionar a los edificios de una envolvente con buenas propiedades aislantes, inercia, permeabilidad al aire y exposición a la radiación solar, y así limitar las pérdidas o ganancias de calor y evitar problemas higrométricos en los mismos.
• Sección HE-2, que deriva al cumplimiento del RITE para que las instalaciones proporcionen el bienestar térmico a sus ocupantes.
• Sección HE-3, que trata sobre la eficiencia energética que deberán alcanzar los sistemas de iluminación, y optimice el aprovechamiento de la luz natural.
• Sección HE-4, que prescribe el porcentaje de energía renovable que deberán alcanzar las instalaciones de ACS y para calentamiento de piscinas en función de la zona climática y de la demanda de energía para ese servicio.
• Sección HE-5, que versa sobre la cantidad de energía eléctrica que se debe generar en los edificios (terciarios) por paneles solares fotovoltaicos.

Podéis acceder y descargar el Documento Básico en el siguiente enlace:

Todos estos cambios servirán para disminuir nuestra dependencia energética exterior (que es preocupante), así como reducir las emisiones de gases de efecto invernadero, cumpliendo los compromisos internacionales.

Este era uno de los objetivos del texto inicial del Código Técnico de la Edificación, entre los que figuraba el ahorro de energía. Pero el mismo debía actualizarse para fomentar el uso de energía procedente de fuentes renovables (hay muchas fuentes energéticas de carácter renovable) y cumplir con el objetivo de que en 2.020 todos los edificios de nueva construcción sean de consumo energético nulo o casi nulo.

Para logar estos edificios deberá ir evolucionando la normativa, y prescribiendo nuevos requisitos mínimos de eficiencia energética, y determinar el porcentaje de energía requerida que deberá estar cubierto por energía procedente de fuentes renovables. Para ello y a corto plazo (así viene establecido) aparecerán nuevas exigencias más estrictas para que en el año 2.020 (en 2.018 para los edificios públicos) todos los edificios nuevos cumplan con este nivel de eficiencia energética.

Esta Orden que actualiza el DB-HE del CTE se aplica a partir del viernes 13 de septiembre (entró en vigor al día siguiente de la publicación), y no será de aplicación a las obras de nueva construcción y a las intervenciones en edificios existentes que tengan solicitada la licencia municipal de obras a la entrada en vigor de esta disposición. Pero establece que estas obras (en las que no es de aplicación) deberán comenzar dentro del plazo máximo de eficacia de dicha licencia de obras, y en su defecto en el plazo de nueve meses contados desde la fecha de otorgamiento de la referida licencia. En caso de demorarse más su inicio los proyectos deberán adaptarse a las nuevas exigencias.

También se establecen otros periodos en los que será de aplicación potestativa esta normativa o la anterior.

Intentaremos analizar estos documentos y poder ofreceros algún resumen de las mismas, ahora toca estudiar.

Javier Ponce.

Corrección errores RITE (5 septiembre 2.013)

Advertidos errores en la última modificación del RITE (RD 238/2013), de 13 de abril, el cual modificó diversos artículos e instrucciones técnicas del RITE, se ha procedido a publicar algunos errores.

El principal error era la confección de potencias de la tabla 3.1. de la IT 3 sobre la frecuencia del mantenimiento preventivo.

Queda así:

"Tabla 3.1. Operaciones de Mantenimiento Preventivo y su periodicidad:

Equipos y potencias útiles nominales (Pn)	Usos
	Viviendas	Restantes usos
Calentadores de agua caliente sanitaria a gas  Pn ≤ 24,4 kW	5 años		2 años
Calentadores de agua caliente sanitaria a gas  24,4 kW < Pn ≤ 70 kW	2 años		anual
Calderas murales a gas Pn  ≤ 70 kW	2 años		anual
Resto instalaciones calefacción Pn ≥ 70 kW	anual		anual
Aire acondicionado Pn ≤ 12 kW	4 años		2 años
Aire acondicionado 12 kW < Pn ≤ 70 kW	2 años		anual
Instalaciones de potencia superior a 70 kW	mensual		mensual

"

Puedes acceder al texto integro de la corrección de errores haciendo click sobre el siguiente enlace:

Tuvimos suerte y en nuestra publicación sobre el RITE actualizado corregimos la tabla expuesta anteriormente pues los errores iniciales eran fácilmente advertibles.

Podéis acceder a nuestra sección de publicaciones en el siguiente enlace: