CARGA TERMICA PARA AGUA CALIENTE SANITARIA

INTRODUCCION

En este módulo determinaremos la carga térmica necesaria para calentar el agua que usamos en las casas para el aseo personal, uso en la cocina y lavado de ropa.

El consumo energético para el agua caliente sanitaria representa entre el 15 al 25% del total de la energía consumida en una casa habitacional. Los costos energéticos para el agua caliente pueden ser disminuidos seleccionando la fuente energética apropiada y el tipo de calentador de agua adecuado, usando un sistema de diseño apropiado y sobre todo reduciendo el consumo de agua caliente.

TIPOS DE CALENTADORESBásicamente existen dos tipos de calentadores o calefones, los termotanques y los calentadores instantáneos

CALEFONES TERMOTANQUES Estos equipos tienen como finalidad calentar el agua y almacenarla en tanques que varían en tamaños desde 75 Lts hasta 300 Lts. El volumen del termotanque es vital para proveer abundante agua caliente en la hora de demanda pico. A medida que el agua caliente se consume, se repone con agua fría de la red, manteniendo una temperatura adecuada y constante por medio del funcionamiento de uno o varios quemadores a gas regulados por un termostato.

El calefón termotanque a gas cuyas características se consignan en la figura previa consta, generalmente de un tanque interior construido en chapa de acero, protegido contra la corrosión. La transmisión del calor al agua se realiza a través del fondo del tanque y del conducto de gases de la combustión. Podemos apreciar en el diagrama que la separación entre el agua caliente y la fría es producto de la variación de densidades, a medida que el agua fría entra, ésta permanece en el fondo del tanque ya que es más pesada que el agua caliente. El equipo de control lo constituye el termostato que cumple dos funciones:

Termostática, controlando la temperatura límite del agua del tanque. De seguridad, produciendo el cierre total del pasaje de gas al artefacto, en

caso de que se apague el quemador piloto.

Estos calefones tienen la propiedad de tener un alto volumen de agua caliente lista para suplir una demanda simultánea de dos o tres duchas o grifos. Su desventaja es la pérdida de calor del agua del tanque cuando no existe demanda.

La energía suministrada es la cantidad de calor por hora requerida para calentar el agua del tanque. Mayor energía suministrada significa que el calefón calentará más rápidamente cuando se lo requiera.

La Capacidad de Recuperación de un termotanque, se refiere al flujo volumétrico de agua caliente generado con relación a la energía suministrada y con un salto de temperatura de 30°C.

La hora pico se refiere a la cantidad de agua caliente estimada que suministrará el calefón en la hora de mayor demanda, esta cantidad dependerá, de la capacidad del tanque y su capacidad de recuperación.

CALEFONES INSTANTANEOS

El calefón instantáneo es un artefacto constituido básicamente por un intercambiador de calor, compuesto por un serpentín, en el cual circula el agua a calentar lo que se realiza por la llama producida por el quemador principal, según se indica en la figura siguiente.

El quemador principal es controlado por uno más pequeño, denominado piloto, que está permanentemente encendido y tiene por finalidad provocar la ignición del gas que se suministra al quemador principal.

La característica principal de funcionamiento e estos aparatos es la rápida puesta en marcha, por lo que se los denomina calentadores instantáneos de agua.

Pueden ser de cámara abierta, descargando los gases por conductos al exterior, tomando el aire para la combustión del local, o del tipo de tiro balanceado o cámara estanca.

Al calefón instantáneo se lo define por el calentamiento del agua en litros/minuto, para provocar un aumento de su temperatura en 20°C. Se fabrican en distintas capacidades, variando de 3 a 20 litros/min.

El funcionamiento del calefón es comandado automáticamente, regulándose su funcionamiento en función de la apertura de algún grifo de la instalación de suministro de agua caliente.

De esa manera, se regula la circulación del gas en función del consumo de agua, utilizándose, para ello, una válvula de diafragma para el control del caudal de agua, vinculada a una válvula a resorte para regular la admisión del gas al quemador. En el diagrama anterior se indica el proceso elemental del funcionamiento del calefón.

El agua en la válvula actúa respectivamente sobre cada una de las caras del diafragma. De este modo cuando, se produce la apertura de algún grifo de consumo de agua, por efecto ventura disminuye la presión sobre una cara, lo que origina un movimiento del diafragma, el que mediante una vinculación actúa sobre la válvula de admisión del gas. El resorte se fija de modo que cuando no haya consumo de agua, la válvula de admisión al quemador principal del calefón se cierre, quedando en servicio solamente la llama del quemador piloto.

Es conveniente que estos artefactos cuenten con válvula de seguridad, mediante un dispositivo de corte en caso de falta de llama.

ANALISIS COMPARATIVO

El termotanque presenta las siguientes ventajas con respecto al instatáneo: Permite la apertura de varios grifos obteniendo la cantidad necesaria de

agua caliente de acuerdo a las necesidades. El funcionamiento del quemador es independiente de la presión y caudal de

agua. Es por ello que se enciende con cualquier presión, por más que ésta sea en la red de agua corriente o lo que es muy común cuando el tanque de reserva no tenga la altura adecuada con respecto al calefón instantáneo.

Debido a su característica de calentador acumulador, no necesita disponer en ningún momento de gran caudal de gas para proveer la cantidad de calor necesaria en forma instantánea como los calefones instantáneos y, por lo tanto, no sufre rápidos calentamientos y enfriamientos en forma permanente.

No posee serpentines que pueden obstruirse o disminuir su capacidad de circulación por suciedad. por la característica de su quemador el funcionamiento es totalmente silencioso.

Los equipos permiten la selección de la temperatura para adecuar a las necesidades de las distintas épocas del año.

Entre las ventajas se pueden mencionar:

La temperatura tiende a disminuir a medida que se consume y si la capacidad del termotanque no es la adecuada en los casos de grandes consumos, puede llegar a ser muy fría. Ellos es debido a que la capacidad del quemador no llega a compensar el consumo cuando éste esta elevado, no llegando a calentar en la misma proporción el agua de reposición.

Si bien el manto aislante de lana de vidrio o mineral con que viene el provisto el equipo hace que el agua acumulada conserve el calor, siempre existen algunas pérdidas en el sistema por transmisión.

Se requiere una limpieza periódica por la acumulación de impurezas que trae el agua.

CALCULO DE LA DEMANDA DE AGUA CALIENTE

Los calentadores de agua son producidos en una amplia gama de tamaños y flujos caloríficos, de tal manera de satisfacer la demanda requerida y evitar una sobredimensión de estos equipos de calentamiento. Idealmente, el equipo debe tener una capacidad de almacenamiento y flujo calorífico igual a la demanda de agua caliente

FACTORES DE DISEÑO

Estos factores de diseños son el resultado de datos experimentales y cálculos de ingeniería y sirven como material de referencia:

Período de dos horas pico

1. El uso residencial de agua caliente máximo se establece en un período de una hora y el mayor consumo se produce, por ejemplo, de 7:00 a 8:00 de la mañana. A este período se llama período pico.

2. Determinación de los litros de agua caliente requerida a una temperatura de 60°C en la hora pico, de acuerdo a la siguiente tabla.

Duchas 70 Lt x usoLavamanos 7 Lt x usoLavado de ropa a mano 14 Lt x usoLavado de ropa automática 100 Lt x usoLavadora de platos 35 Lt x uso

3. Selección del tamaño del termotanqueNormalmente se considera que la capacidad del tanque del calefón o denominado termotanque sea de un volumen igual al 70% de la demanda del agua caliente en la hora pico. Se considera que el restante 30 % lo generará el termotanque de acuerdo a su capacidad de regeneración.

4. El cálculo de la potencia mínima requerida por el equipo para suministrar el agua caliente sanitaria de acuerdo a la siguiente fórmula:

Donde:CP= Calor específico en Kilocalorías por Kg ºC ( Kcal/ Kg ºC )Pmin = Potencia mínima en Kilocalorías por hora ( Kcal/h )Q = Caudal necesario de A.C.S. en Litros por hora ( L/hr )Tc = Temperatura del A.C.S. al consumo en Grados centígrados ( ºC )Te = Temperatura del agua de llegada en Grados centígrados ( ºC )

= Rendimiento global de la instalación en Tanto por ciento ( % )

5. Si el equipo esta diseñado para ser usado a nivel del mar, se debe dividir por el factor de altura de pérdida de potencia, si el equipo se instala en la altura.

6. Se debe también determinar el tiempo de calentamiento del agua en el depósito del termotanque, de acuerdo a la siguiente fórmula:

Donde: t = Tiempo en horas ( hr )V = Volumen en Litros ( Lt )CP= Calor específico en Kilocalorías por Kg ºC ( Kcal/ Kg ºC )Tc = Temperatura del A.C.S. al consumo en Grados centígrados ( ºC )Te = Temperatura del agua de llegada en Grados centígrados ( ºC )P = Potencia de la caldera en Kilocalorías por hora ( Kcal/hr )CR= Coeficiente de Capacidad de recuperación (%)

Tabla de Recuperación de Agua Caliente en Termotanques(Calculada a un 75% de Eficiencia de Recuperación)

Tasa de flujo calóricoBtu/h

GPH Recuperados al salto de la Temperatura Indicada °F

60º 70º 80º 90º 100º

30,000 45.5 39.0 34.1 30.3 27.3

33,000 50.0 42.9 37.5 33.3 30.0

35,000 53.0 45.5 39.8 35.4 31.8

40,000 60.6 51.9 45.5 40.4 36.4

43,000 65.2 55.8 48.9 43.4 39.1

50,000 75.8 64.9 56.8 50.5 45.5

60,000 90.9 77.9 68.2 60.6 54.5

70,000 106.1 90.9 79.5 70.7 63.6

80,000 121.2 103.9 90.9 80.8 72.7

90,000 136.4 116.9 102.3 90.9 81.8

100,000 151.51 129.9 113.6 101.0 90.9

El cálculo para los Calefones Instantáneos es similar, aunque el cálculo de la capacidad del equipo, en cuanto a caudal se refiere es diferente, para tal efecto se debe usar la siguiente tabla:

TABLA DE CONSUMO PARA CALEFONES INSTANTANEOSDuchas 7 Lt / minGrifos 4 Lt / min Lavado de ropa a mano 10 Lt x minLavado de ropa automática 14 Lt x min Lavadora de platos 10 Lt x min

Por ejemplo. Si en la residencia se usará al mismo tiempo 1 ducha y un grifo, la demanda será de 11 Lt/min, por lo tanto el calefón instantáneo deberá ser de una capacidad de demanda de por lo menos 14Lt/min (recuerden que su tasa de calentamiento esta diseñada para un salto de temperatura de sólo 20°C).

Ejercicio de Aplicación de Demanda de Agua Caliente Sanitaria

Se desea calcular la potencia calórica necesaria para suministrar Agua Caliente Sanitaria a una residencia de la ciudad de La Paz donde viven 4 personas. Si se usa un termotanque cuya eficiencia es del 80%, ¿cuál su capacidad? Así también calcular el tiempo necesario para generar el agua caliente.

Solución:Hallamos la demanda en la hora pico. Se supone que las 4 personas se ducharán y usarán el lavamanos en la hora pico, por lo tanto el caudal será de:Q = (70Lt x 4)/hr + (7lt x 4)/hr = 308 Lt/hr.

La capacidad del tanque será VT= 308 x 0.75 = 231 Lt (aproximadamente 60 galones).

La Potencia mínima de la caldera será:

A esta potencia se la debe corregir (dividir entre 0.76) por la pérdida de potencia debido a la altura.

Potencia mínima corregida = 19929.41/0.76 = 26222.91 Kcal/hr.

El tiempo necesario para el calentamiento del agua, asumiendo un Coeficiente de recuperación del 75%, será de: