La hidrónica (del griego antiguo hidro- 'agua') es el uso de agua líquida o agua 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 edificios de gran altura e instalaciones universitarias , 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 medios para proporcionar refrigeración por 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 grandes cuentan con un sistema de calefacción urbana que proporciona, a través de tuberías subterráneas, agua caliente a alta temperatura y agua fría a disposición del público. Un edificio en el distrito de servicio puede conectarse a estos sistemas 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 de cinco maneras:
Los sistemas hidrónicos se pueden dividir en varias categorías generales de disposición de tuberías:
En la tecnología de calefacción hidrónica moderna más antigua, 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 manera que la gravedad finalmente lleve este condensado nuevamente por las tuberías de suministro de vapor hasta la caldera, donde puede volver a convertirse en vapor y regresar a los radiadores.
A pesar de su nombre, un radiador no calienta una habitación principalmente por radiación. Si se coloca correctamente, 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 los mejores resultados, un radiador de vapor no debe estar a más de una o dos pulgadas (2,5 a 5 cm) de una pared.
Los sistemas de un solo tubo tienen limitaciones tanto en su capacidad para suministrar grandes volúmenes de vapor (es decir, calor) [ cita requerida ] como en la capacidad para controlar el flujo de vapor a radiadores individuales [ cita requerida ] (porque al cerrar las trampas de suministro de vapor se condensa en los radiadores). Debido a estas limitaciones, los sistemas de un solo tubo ya no son los preferidos.
Estos sistemas dependen del correcto funcionamiento de las válvulas termostáticas de ventilación de aire 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 las tuberías contienen aire. Cuando comienza un ciclo de calentamiento, 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 aire 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 activar la válvula y evitar que el vapor salga del radiador. Cuando la válvula se enfría, el aire entra en el sistema para reemplazar el vapor que se condensa.
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 requerida ] Lo ideal es que el vapor llegue a cada válvula y cierre todas y cada una de ellas al mismo tiempo, de modo que el sistema pueda funcionar con la máxima eficiencia; esta condición se conoce como un sistema "equilibrado". [ cita requerida ]
En los sistemas de vapor de dos tubos, existe un camino de retorno para el condensado y puede implicar bombas , así como un flujo inducido por la gravedad. El flujo de vapor hacia los radiadores individuales se puede modular mediante válvulas manuales o automáticas .
La tubería de retorno, como sugiere su nombre, toma el camino más directo hacia la caldera.
Menor costo de las tuberías 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. Debido a esto, siempre se recomienda: minimizar las caídas de presión en las tuberías de distribución; utilizar una bomba con una característica de carga plana [ cuando se define como? ] , incluir dispositivos de equilibrado 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 de dos tubos, una vez que el agua ha salido del primer radiador, regresa a la caldera para ser recalentada, y así con el segundo y el tercero, etc. Con el retorno inverso de dos tubos, el tubo de retorno llega al último radiador del sistema antes de regresar a la caldera para ser recalentada.
La ventaja del sistema de retorno de dos tubos es que el recorrido de los tubos 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, lo que permite equilibrar fácilmente el sistema.
El instalador o reparador no puede confiar en que cada sistema se equilibre automáticamente sin probarlo adecuadamente.
Los sistemas modernos casi siempre utilizan agua caliente en lugar de vapor, lo que abre la posibilidad de utilizar también agua fría para acondicionar el aire .
En los hogares, el circuito de agua puede ser tan simple como una sola tubería que "hace circular" el flujo a través de cada radiador en 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 parte del flujo en la tubería principal. En estos sistemas, los radiadores individuales se pueden modular. Alternativamente, se pueden instalar varios circuitos con varios radiadores, y el flujo en cada circuito o zona se controla mediante una válvula de zona conectada a un termostato .
En la mayoría de los sistemas de agua, el agua circula por medio de una o más bombas de circulación . 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 se puede dividir en zonas de calentamiento individuales utilizando múltiples bombas de circulación 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 hidrónico con la introducción de productos aislantes.
Las tuberías del sistema de paneles de radiador están recubiertas con un material de caucho elastomérico liviano, flexible y resistente al fuego, diseñado para el aislamiento térmico. La eficiencia de la calefacción de losas se mejora con la instalación de una barrera térmica hecha de espuma. Actualmente, existen muchas ofertas de productos en el mercado con diferentes clasificaciones energéticas y métodos de instalación.
La mayoría de los sistemas hidrónicos requieren un equilibrado . Esto implica medir y ajustar el caudal para lograr una distribución óptima de la energía en el sistema. En un sistema equilibrado, cada radiador recibe la cantidad justa de agua caliente para permitir que se caliente por completo.
Los sistemas residenciales pueden utilizar agua corriente común, pero los sistemas comerciales sofisticados suelen añadir diversos productos químicos al agua del sistema. Por ejemplo, estos productos químicos añadidos pueden:
Todos los sistemas hidrónicos deben tener un medio para eliminar el aire del sistema. Un sistema sin aire y correctamente diseñado debería seguir funcionando normalmente durante muchos años.
El aire provoca ruidos molestos en el sistema e interrumpe la transferencia de calor adecuada hacia y desde los fluidos circulantes. Además, a menos que se reduzca por debajo de un nivel aceptable, el oxígeno disuelto en el agua provoca corrosión . Esta corrosión puede provocar la acumulación de óxido y sarro en las tuberías. Con el tiempo, estas partículas pueden soltarse y desplazarse por las tuberías, lo que reduce o incluso bloquea 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 en los sistemas de circuito de agua hidrónico se puede clasificar en tres formas:
Se utilizan varios dispositivos, como purgadores de aire manuales y automáticos, para abordar el aire libre que flota hasta los puntos altos en todo el sistema. Los purgadores de aire automáticos contienen una válvula que funciona mediante un flotador. Cuando hay aire presente, el flotador baja, lo que permite que la válvula se abra y purgue el aire. Cuando el agua alcanza (llena) la válvula, el flotador se levanta, bloqueando el escape del agua. 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 cualquier 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.
El aire atrapado son burbujas de aire que se desplazan por las tuberías a la misma velocidad que el agua. Los "extractores" 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 (véase la Ley de Henry ) del agua entrante. En promedio, el agua del grifo contiene entre un 8 y un 10 % de aire disuelto por volumen.
La eliminación del aire disuelto, libre y atrapado solo se puede lograr con un dispositivo de eliminación de aire de alta eficiencia que incluya un medio coalescente que limpie continuamente el aire del sistema. Los dispositivos separadores de aire de tipo tangencial o centrífugo se limitan a la eliminación del aire libre y atrapado únicamente.
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 a menudo utilizan un diafragma de goma presurizado con aire comprimido . El tanque de expansión acomoda el agua expandida mediante una mayor compresión del aire y ayuda a mantener una presión aproximadamente constante en el sistema a lo largo del cambio esperado en el volumen del fluido. También se utilizan cisternas simples abiertas a la presión atmosférica.
El agua también se expande drásticamente cuando se vaporiza o se evapora. Las tuberías de purga pueden ayudar a acomodar la evaporación 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) hacia el suministro de agua.
El calor o la presión excesivos pueden provocar que el sistema falle. Siempre se instala al menos una válvula de alivio combinada de sobretemperatura y sobrepresión en el sistema para permitir que el vapor o el agua se ventilen a la atmósfera en caso de que falle algún mecanismo (como el control de temperatura de la caldera) en lugar de permitir la explosión catastrófica de las tuberías, los radiadores o la caldera. La válvula de alivio generalmente tiene una manija de operación manual para permitir la prueba y el lavado de contaminantes (como arenilla) que pueden provocar fugas en la válvula en condiciones de funcionamiento normales.
La condensación rápida del vapor también puede provocar golpes de ariete , que durante un cambio rápido de volumen de gas a líquido genera una potente fuerza de vacío que puede dañar y destruir accesorios, válvulas y equipos. Un diseño adecuado y la adición de disyuntores de vacío reducen o eliminan el riesgo de que se produzcan estos problemas. [4]