La hidrónica (del griego antiguo hidro -'agua') es el uso de agua líquida o gaseosa ( vapor ) o una solución de agua (generalmente glicol con agua) como medio de transferencia de calor en sistemas de calefacción y refrigeración . [1] [2] El nombre diferencia estos sistemas de los sistemas de aceite y refrigerante .
Históricamente, en edificios comerciales de gran escala, como rascacielos y campus , un sistema hidrónico puede incluir un circuito de agua fría y caliente, para proporcionar calefacción y aire acondicionado . Los enfriadores y las torres de enfriamiento se utilizan por separado o juntos como medio para enfriar el agua, mientras que las calderas calientan el agua. Una innovación reciente es el sistema de caldera enfriadora , que proporciona una forma eficiente de HVAC para hogares y espacios comerciales más pequeños.
Muchas ciudades más grandes tienen un sistema de calefacción urbana que proporciona, a través de tuberías subterráneas, agua caliente y agua fría a alta temperatura disponibles públicamente. Un edificio en el distrito de servicios puede conectarse a estos mediante el pago de una tarifa de servicio.
Los sistemas hidrónicos pueden incluir los siguientes tipos de distribuciones: [1]
Los sistemas hidrónicos se clasifican además en cinco formas:
Los sistemas hidrónicos se pueden dividir en varias categorías generales de disposición de tuberías:
En la tecnología de calefacción hidrónica más antigua y moderna, un sistema de vapor de una sola tubería suministra vapor a los radiadores, donde el vapor cede su calor y se condensa nuevamente en agua. Los radiadores y las tuberías de suministro de vapor están inclinados de modo que la gravedad eventualmente lleve este condensado de regreso a través de la tubería de suministro de vapor a la caldera, donde una vez más puede convertirse en vapor y regresar a los radiadores.
A pesar de su nombre, un radiador no calienta una habitación principalmente mediante radiación. Si se coloca correctamente, un radiador creará una corriente de convección de aire en la habitación, que proporcionará el principal mecanismo de transferencia de calor. En general, se acepta que para obtener mejores resultados, un radiador de vapor no debe estar a más de una o dos pulgadas (2,5 a 5 cm) de la pared.
Los sistemas de tubería única están limitados tanto en su capacidad para entregar grandes volúmenes de vapor (es decir, calor) [ cita necesaria ] como en la capacidad de controlar el flujo de vapor a radiadores individuales [ cita necesaria ] (porque cerrar las trampas de suministro de vapor condensación en los radiadores). Debido a estas limitaciones, ya no se prefieren los sistemas de tubería única.
Estos sistemas dependen del correcto funcionamiento de las válvulas termostáticas de ventilación ubicadas en los radiadores de toda la zona calentada. Cuando el sistema no está en uso, estas válvulas están abiertas a la atmósfera y los radiadores y tuberías contienen aire. Cuando comienza un ciclo de calefacción, la caldera produce vapor, que se expande y desplaza el aire del sistema. El aire sale del sistema a través de las válvulas de ventilación de los radiadores y de las propias tuberías de vapor. Las válvulas termostáticas se cierran cuando se calientan; En el tipo más común, la presión de vapor de una pequeña cantidad de alcohol en la válvula ejerce la fuerza para accionar la válvula y evitar que el vapor salga del radiador. Cuando la válvula se enfría, ingresa aire al sistema para reemplazar el vapor condensado.
Algunas válvulas más modernas se pueden ajustar para permitir una ventilación más rápida o más lenta. En general, las válvulas más cercanas a la caldera deben ventilar más lentamente y las válvulas más alejadas de la caldera deben ventilar más rápido. [ cita necesaria ] Idealmente, el vapor debería llegar a cada válvula y cerrar todas y cada una de las válvulas al mismo tiempo, para que el sistema pueda funcionar con la máxima eficiencia; esta condición se conoce como sistema "equilibrado". [ cita necesaria ]
En los sistemas de vapor de dos tuberías, existe un camino de retorno para el condensado y puede involucrar tanto bombas como flujo inducido por gravedad. El flujo de vapor a los radiadores individuales se puede modular mediante válvulas manuales o automáticas .
La tubería de retorno, como su nombre indica, toma el camino más directo de regreso a la caldera.
Menor costo de la tubería de retorno en la mayoría de las aplicaciones (pero no en todas), y las tuberías de suministro y retorno están separadas.
Este sistema puede ser difícil de equilibrar debido a que la línea de suministro tiene una longitud diferente a la de retorno; cuanto más lejos esté el dispositivo de transferencia de calor de la caldera, más pronunciada será la diferencia de presión. Por esto, siempre se recomienda: minimizar las caídas de presión en las tuberías de distribución; utilizar una bomba con una característica de cabeza plana [ cuando se define como? ] , incluyen dispositivos de equilibrio y medición de flujo en cada terminal o circuito derivado; y utilizar válvulas de control con una alta pérdida de carga [ cuando se define como? ] en las terminales.
La configuración de retorno inverso de dos tubos, que a veces se denomina "sistema de tres tubos", se diferencia del sistema de dos tubos en la forma en que el agua regresa a la caldera. En un sistema bitubular, una vez que el agua ha salido del primer radiador, vuelve a la caldera para recalentarse, y así con el segundo y tercer etc. Con el retorno inverso de dos tubos, el tubo de retorno va hasta el último radiador. en el sistema antes de regresar a la caldera para ser recalentado.
La ventaja del sistema de retorno inverso de dos tuberías es que el recorrido de la tubería hacia cada radiador es aproximadamente el mismo, lo que garantiza que la resistencia por fricción al flujo de agua en cada radiador sea la misma. Esto permite un fácil equilibrio del sistema.
El instalador o reparador no puede confiar en que cada sistema se autoequilibre sin probarlo adecuadamente.
Los sistemas modernos casi siempre utilizan agua caliente en lugar de vapor. Esto abre el sistema a la posibilidad de utilizar también agua fría para proporcionar aire acondicionado .
En los hogares, el circuito de agua puede ser tan simple como una sola tubería que "hace un circuito" del flujo a través de cada radiador de una zona. En un sistema de este tipo, el flujo hacia los radiadores individuales no se puede modular ya que toda el agua fluye a través de cada radiador de la zona. Los sistemas un poco más complicados utilizan una tubería "principal" que fluye ininterrumpidamente alrededor de la zona; los radiadores individuales extraen una pequeña porción del flujo en la tubería principal. En estos sistemas se pueden modular los radiadores individuales. Alternativamente, se pueden instalar varios circuitos con varios radiadores, controlando el flujo en cada circuito o zona mediante una válvula de zona conectada a un termostato .
En la mayoría de los sistemas de agua, el agua circula mediante una o más bombas circuladoras . Esto contrasta marcadamente con los sistemas de vapor donde la presión inherente del vapor es suficiente para distribuirlo a puntos remotos del sistema. Un sistema puede dividirse en zonas de calefacción individuales utilizando múltiples bombas circuladoras o una sola bomba y válvulas de zona operadas eléctricamente .
Se han producido mejoras considerables en la eficiencia y, por tanto, en los costes operativos de un sistema de calefacción hidrónica con la introducción de productos aislantes.
Las tuberías del sistema del panel del radiador están cubiertas con un material de caucho elastomérico liviano, flexible y resistente al fuego, diseñado para aislamiento térmico. La eficiencia del calentamiento de losa se mejora con la instalación de una barrera térmica hecha de espuma. Actualmente existen en el mercado muchas ofertas de productos con diferentes clasificaciones energéticas y métodos de instalación.
La mayoría de los sistemas hidrónicos requieren equilibrio . Esto implica medir y configurar el flujo para lograr una distribución óptima de la energía en el sistema. En un sistema equilibrado, cada radiador recibe suficiente agua caliente para permitirle calentarse por completo.
Los sistemas residenciales pueden utilizar agua corriente del grifo, pero los sistemas comerciales sofisticados suelen añadir diversos productos químicos al agua del sistema. Por ejemplo, estos químicos agregados pueden:
Todos los sistemas hidrónicos deben tener un medio para eliminar el aire del sistema. Un sistema sin aire correctamente diseñado debería seguir funcionando normalmente durante muchos años.
El aire provoca ruidos irritantes en el sistema e interrumpe la transferencia adecuada de calor hacia y desde los fluidos en circulación. Además, a menos que se reduzca por debajo de un nivel aceptable, el oxígeno disuelto en el agua provoca corrosión . Esta corrosión puede causar que se acumule óxido y sarro en la tubería. Con el tiempo, estas partículas pueden soltarse y viajar por las tuberías, reduciendo o incluso bloqueando el flujo, además de dañar los sellos de la bomba y otros componentes.
Los sistemas de circuito de agua también pueden experimentar problemas de aire. El aire que se encuentra dentro de los sistemas de circuito de agua hidrónicos se puede clasificar en tres formas:
Se utilizan varios dispositivos, como salidas de aire manuales y automáticas, para abordar el aire libre que flota hasta los puntos altos de todo el sistema. Las salidas de aire automáticas contienen una válvula accionada por un flotador. Cuando hay aire, el flotador desciende, lo que permite que la válvula se abra y purgue el aire. Cuando el agua llega (llena) la válvula, el flotador se eleva, impidiendo que el agua escape. Las versiones pequeñas (domésticas) de estas válvulas en sistemas más antiguos a veces están equipadas con un accesorio de válvula de aire tipo Schrader , y el aire atrapado ahora comprimido se puede purgar de la válvula presionando manualmente el vástago de la válvula hasta que comience a salir agua en lugar de aire. surgir.
El aire arrastrado son burbujas de aire que viajan por la tubería a la misma velocidad que el agua. Las "cucharas" de aire son un ejemplo de productos que intentan eliminar este tipo de aire.
El aire disuelto también está presente en el agua del sistema y la cantidad está determinada principalmente por la temperatura y la presión (ver Ley de Henry ) del agua entrante. En promedio, el agua del grifo contiene entre un 8 y un 10 % de aire disuelto en volumen.
La eliminación del aire disuelto, libre y arrastrado sólo se puede lograr con un dispositivo de eliminación de aire de alta eficiencia que incluya un medio coalescente que elimine continuamente el aire del sistema. Los dispositivos separadores de aire de estilo tangencial o centrífugo se limitan a eliminar únicamente el aire libre y arrastrado.
El agua se expande cuando se calienta y se contrae cuando se enfría. Un sistema hidrónico de circuito de agua debe tener uno o más tanques de expansión en el sistema para acomodar este volumen variable del fluido de trabajo. Estos tanques suelen utilizar un diafragma de goma presurizado con aire comprimido . El tanque de expansión acomoda el agua expandida mediante una mayor compresión de aire y ayuda a mantener una presión aproximadamente constante en el sistema durante el cambio esperado en el volumen de fluido. También se utilizan cisternas simples abiertas a la presión atmosférica.
El agua también se expande drásticamente a medida que se vaporiza o se convierte en vapor. Las tuberías de rociado pueden ayudar a acomodar el flasheo que puede ocurrir cuando el condensado de alta presión ingresa a una región de menor presión. [3]
Los sistemas hidrónicos suelen estar conectados a un suministro de agua (como el suministro público de agua). Una válvula automática regula la cantidad de agua en el sistema y también evita el reflujo del agua del sistema (y de cualquier producto químico para el tratamiento del agua) al suministro de agua.
El calor o la presión excesivos pueden provocar que el sistema falle. Siempre se instala al menos una combinación de válvula de alivio de sobretemperatura y sobrepresión en el sistema para permitir que el vapor o el agua se ventile a la atmósfera en caso de falla de algún mecanismo (como el control de temperatura de la caldera), en lugar de permitir que el Explosión catastrófica de tuberías, radiadores o caldera. La válvula de alivio generalmente tiene una manija de operación manual para permitir la prueba y el lavado de contaminantes (como arena) que pueden causar fugas en la válvula en condiciones de funcionamiento normales.
La condensación rápida de vapor también puede provocar golpes de ariete , que durante el cambio rápido de volumen de gas a líquido provoca una poderosa fuerza de vacío. Esto puede dañar y destruir accesorios, válvulas y equipos. El diseño adecuado y la adición de interruptores de vacío reducen o eliminan el riesgo de estos problemas. [4]