Un tanque de almacenamiento de agua caliente (también llamado tanque de agua caliente , tanque de almacenamiento térmico , unidad de almacenamiento térmico de agua caliente , tanque de almacenamiento de calor , cilindro de agua caliente y géiser en inglés sudafricano [1] ) es un tanque de agua que se utiliza para almacenar agua caliente para calefacción de espacios o uso doméstico.
El agua es un medio conveniente para almacenar calor porque tiene una alta capacidad calorífica específica . Esto significa que, en comparación con otras sustancias, puede almacenar más calor por unidad de peso. El agua no es tóxica y es de bajo costo.
Un tanque aislado de manera eficiente puede retener el calor almacenado durante días, lo que reduce los costos de combustible. [2] Los tanques de agua caliente pueden tener incorporado un sistema de quemador de gas o aceite, calentadores eléctricos de inmersión . Algunos tipos utilizan un intercambiador de calor externo, como un sistema de calefacción central , o agua calentada desde otra fuente de energía. Lo más típico, en el contexto doméstico, es un quemador de combustibles fósiles, elementos eléctricos de inmersión o un sistema de calefacción urbana . [3]
Los calentadores de agua para lavar, bañar o lavar la ropa tienen controles termostáticos para regular la temperatura, en el rango de 40 a 60 °C (104 a 140 °F), y están conectados al suministro de agua fría sanitaria.
Cuando el suministro de agua local tiene un alto contenido de minerales disueltos como piedra caliza , calentar el agua hace que los minerales precipiten en el tanque (incrustaciones). Un tanque puede desarrollar fugas debido a la corrosión después de solo unos pocos años, un problema exacerbado por el oxígeno disuelto en el agua que acelera la corrosión tanto del tanque como de los accesorios.
Normalmente, los tanques de almacenamiento de agua caliente están envueltos en aislamiento térmico para reducir el consumo de energía, acelerar el proceso de calentamiento y mantener la temperatura de funcionamiento deseada. Un aislamiento térmico más grueso reduce la pérdida de calor en espera . Los calentadores de agua están disponibles con varios grados de aislamiento, pero es posible agregar capas de aislamiento adicional en el exterior del calentador de agua para reducir la pérdida de calor. En condiciones extremas, el propio calentador podría estar completamente encerrado en un espacio aislado construido especialmente.
El tipo de aislamiento para calentadores de agua más comúnmente disponible es la fibra de vidrio , fijada con cinta o correas o la cubierta exterior del calentador de agua. El aislamiento no debe bloquear el flujo de aire o la salida de gases de combustión cuando se utiliza un quemador.
Otro material aislante común utilizado para los tanques de almacenamiento de agua es el aislamiento de espuma de poliuretano (PUF). [ cita necesaria ] Cuando el acceso al tanque interior es una prioridad (en casos de minerales particularmente agresivos o niveles de oxígeno en el suministro de agua local), el PUF se puede aplicar en forma encapsulada, lo que permite la eliminación de la capa aislante para controles regulares de integridad y si necesario, reparaciones al tanque de agua.
Muy recientemente se han comercializado sistemas de almacenamiento sensibles que utilizan innovadores aislamientos al vacío soportados. Esta tecnología ahora permite almacenar energía térmica en sistemas de tamaño pequeño y mediano durante semanas sin pérdidas de calor significativas. Cuando sea posible, tiene el potencial de utilizar almacenamiento térmico sensible y asequible para el almacenamiento de energía a mediano plazo.
En un sistema de calentamiento solar de agua , un tanque solar de almacenamiento de agua caliente almacena el calor de los colectores solares térmicos . [4] El depósito lleva incorporado un intercambiador de calor para calentar agua fría sanitaria. En climas relativamente templados, como el Mediterráneo, los tanques de almacenamiento (muy aislados pero envueltos en metal) suelen estar montados en el techo. Todos estos tanques comparten los mismos problemas que los tanques calentados artificialmente, incluidos los depósitos de piedra caliza y la corrosión, y sufren reducciones similares en la eficiencia general a menos que se les dé un mantenimiento escrupuloso.
Los tanques del calentador de agua pueden estar hechos de acero al carbono , acero inoxidable o cobre revestidos con esmalte vítreo .
Mientras que los tanques de agua caliente sanitaria de cobre y acero inoxidable son más comunes en Europa, los tanques de acero al carbono son más comunes en los Estados Unidos, donde normalmente se descuida la revisión periódica y el tanque desarrolla una fuga, tras lo cual se reemplaza todo el electrodoméstico. [5] Incluso cuando se descuidan, los tanques de acero al carbono tienden a durar unos años más que la garantía del fabricante, que suele ser de 3 a 12 años en los EE. UU. [ cita necesaria ]
Los tanques con revestimiento vítreo tienen un costo inicial mucho menor y, a menudo, incluyen una o más varillas de ánodo de sacrificio diseñadas para proteger el tanque de la perforación causada por la corrosión [6], necesaria ya que el agua clorada es muy corrosiva para el acero al carbono. Como es casi imposible aplicar una capa protectora perfectamente (sin grietas microscópicas o defectos por agujeros en la capa protectora) [7] los fabricantes pueden recomendar una verificación periódica de cualquier ánodo de sacrificio, reemplazándolo cuando sea necesario.
Algunos fabricantes ofrecen un kit de garantía extendida que incluye una varilla de ánodo de repuesto. Debido a que se puede esperar que los tanques de almacenamiento de agua caliente convencionales tengan fugas cada 5 a 15 años, las instalaciones de alta calidad incluirán, y la mayoría de los códigos de construcción/plomería de EE. UU. ahora exigen, una bandeja poco profunda de metal o plástico para recoger las filtraciones cuando ocurran.
Este método almacena calor en un tanque mediante el uso de intercambiadores de calor externos (bobinas) que pueden aprovecharse directamente o usarse para alimentar otros intercambiadores de calor (externos).
La principal ventaja es que, al evitar la extracción directa de agua caliente sanitaria, el depósito no se alimenta continuamente con agua fría, lo que en zonas de agua "dura" reduce el depósito de cal a lo que esté disuelto en la carga original de agua, además de una cantidad relativamente trivial. cantidades añadidas para reponer las pérdidas por filtraciones.
Un beneficio adicional son los niveles reducidos de oxígeno en un sistema cerrado de este tipo, lo que permite cierta relajación en los requisitos de los materiales utilizados en el tanque de almacenamiento de agua caliente y los circuitos de agua cerrados, los intercambiadores de calor externos y las tuberías asociadas.
Si bien un sistema de intercambiador de calor externo utilizado para agua caliente sanitaria tendrá depósitos minerales, los agentes desincrustantes prolongan la vida útil de dicho sistema.
Otro método para almacenar calor en un tanque de almacenamiento de agua caliente tiene muchos nombres: tanque de almacenamiento de agua caliente estratificado con circuito cerrado de agua , tanque de almacenamiento térmico estratificado , tanque de termoclina y tanque de almacenamiento de agua estratificado pero en todos los casos la diferencia significativa es que se toman precauciones para mantener la estratificación vertical de la columna de agua, es decir, mantener el agua caliente en la parte superior del tanque mientras que el agua en el fondo está a una temperatura claramente más baja.
Esto es deseable en lugares con una amplia gama climática donde la refrigeración en verano es tan importante como la calefacción en invierno, e implica una o más de las siguientes medidas:
Cuando un tanque de almacenamiento de agua caliente estratificada tiene circuitos de agua cerrados, la temperatura del agua puede alcanzar entre 90 y 95 °C en la parte superior y entre 20 y 40 °C en la parte inferior. El agua tranquila y tranquila es un conductor de calor relativamente pobre en comparación con el vidrio , los ladrillos y el suelo .
(Ilustrado por un lago tranquilo, donde el agua de la superficie puede estar cómodamente cálida para nadar, pero las capas más profundas son tan frías que representan un peligro para los nadadores, el mismo efecto que da lugar a avisos en los muelles de la ciudad de Londres advirtiendo "Peligro, aguas frías y profundas"). .
Por consiguiente, se puede almacenar un volumen arbitrario de agua caliente, siempre que se mantenga intacta la estratificación. En este caso no debe haber placas o tubos metálicos verticales, ya que conducirían el calor a través de las capas de agua, frustrando el propósito de la estratificación. Cuando se emplea eficazmente, esta técnica puede mantener el agua a una temperatura de hasta 95 °C (es decir, justo por debajo del punto de ebullición), lo que produce una mayor densidad de energía , y esta energía puede almacenarse durante mucho tiempo siempre que el agua caliente permanezca sin diluir.
Según la finalidad de las instalaciones, los intercambios de agua con tomas de diferentes niveles permiten seleccionar la temperatura del agua adecuada al uso requerido. [9]
En muchos sistemas de calefacción solar, los parámetros energéticos se pueden leer en función del tiempo, desde el tiempo de "permanencia" necesario para transformar la luz del día en calor hasta la temperatura máxima del agua caliente en su punto máximo cerca de la parte superior del tanque. [2]
Cuando el flujo comienza desde la salida superior, el agua fría ingresa al tanque por la parte inferior. Esta caída de temperatura hace que el termostato encienda el elemento calefactor eléctrico en el fondo del tanque. Cuando el agua de la parte superior del tanque se extrae, el agua caliente de la parte superior es desplazada por agua relativamente más fría, el termostato superior enciende el elemento superior. Cuando el flujo se detiene, los elementos permanecen encendidos hasta que se cumplan sus configuraciones. [10]
Si bien es común tener los termostatos superior e inferior configurados de manera diferente para ahorrar energía, el hecho de que el agua caliente suba significa que el termostato que controla el elemento superior debe alimentar el suministro más caliente, mientras que el elemento inferior debe alimentar el suministro más caliente.
Si los termostatos en un sistema de este tipo están invertidos (alimentación caliente desde arriba, caliente desde el centro), no solo puede afectar la eficiencia energética del sistema, sino que alimentar agua hirviendo a una salida de agua caliente sanitaria puede ser peligroso, o si se dirige a las lavadoras de alimentación tibia los dañan sin posibilidad de reparación.
El agua caliente puede provocar quemaduras dolorosas y peligrosas , especialmente en niños y ancianos. El agua en la salida no debe exceder los 49 grados centígrados. Algunas jurisdicciones establecen un límite de 49 grados en la temperatura de referencia del tanque. Por otro lado, el agua almacenada por debajo de los 60 grados centígrados puede permitir el crecimiento de bacterias, como las que causan la enfermedad del legionario , que supone un peligro particular para quienes tienen el sistema inmunológico comprometido. Una solución técnica sería el uso de válvulas mezcladoras en las salidas utilizadas para lavabos, bañeras o duchas, que mezclarían automáticamente agua fría para mantener un máximo por debajo de 49 C. Una propuesta para agregar esto al código de construcción de Canadá no tuvo éxito. [11]