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 ) es un tanque de agua utilizado para almacenar agua caliente para calefacción de espacios o uso doméstico.
El agua es un medio conveniente para almacenar calor porque tiene una capacidad calorífica específica alta . Esto significa que, en comparación con otras sustancias, puede almacenar más calor por unidad de peso. El agua no es tóxica y tiene un bajo costo.
Un tanque aislado de manera eficiente puede retener el calor almacenado durante días, lo que reduce los costos de combustible. [1] Los tanques de agua caliente pueden tener un sistema de quemador de gas o aceite incorporado, calentadores de inmersión eléctricos . Algunos tipos utilizan un intercambiador de calor externo, como un sistema de calefacción central , o agua calentada a partir de otra fuente de energía. Los más típicos, en el contexto doméstico, son un quemador de combustible fósil, elementos de inmersión eléctricos o un sistema de calefacción urbana . [2]
Los calentadores de agua para lavar, bañarse o lavar la ropa tienen controles de termostato para regular la temperatura, en el rango de 40 a 60 °C (104 a 140 °F), y están conectados al suministro de agua fría doméstica.
Cuando el suministro de agua local tiene un alto contenido de minerales disueltos , como piedra caliza , el calentamiento del agua hace que los minerales se precipiten en el tanque (formación de sarro). Un tanque puede desarrollar fugas debido a la corrosión después de solo unos pocos años, un problema que se agrava por el oxígeno disuelto en el agua, que acelera la corrosión tanto del tanque como de los accesorios.
Por lo general, los tanques de almacenamiento de agua caliente están envueltos en un 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 modo de espera . Los calentadores de agua están disponibles con varias clasificaciones de aislamiento, pero es posible agregar capas de aislamiento adicional en el exterior de un calentador de agua para reducir la pérdida de calor. En condiciones extremas, el calentador en sí puede estar completamente encerrado en un espacio aislado especialmente construido.
El tipo de aislamiento para calentadores de agua más comúnmente disponible es el de fibra de vidrio , que se fija en su lugar con cinta o correas o con la cubierta exterior del calentador de agua. El aislamiento no debe bloquear el flujo de aire ni la salida de los gases de combustión cuando se utiliza un quemador.
Otro material de aislamiento común utilizado para tanques de almacenamiento de agua es el aislamiento de espuma de poliuretano (PUF). [ cita requerida ] 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 de aislamiento para controles regulares de integridad y, si es necesario, reparaciones al tanque de agua.
Recientemente se han comercializado sistemas de almacenamiento térmico inteligentes que utilizan un innovador aislamiento al vacío. Esta tecnología permite almacenar energía térmica en sistemas pequeños y medianos durante semanas sin pérdidas de calor significativas. Siempre que sea posible, existe el potencial de utilizar sistemas de almacenamiento térmico inteligentes asequibles para el almacenamiento de energía a medio plazo.
En un sistema de calentamiento solar de agua , un tanque de almacenamiento de agua caliente solar almacena el calor de los colectores solares térmicos . [3] El tanque tiene un intercambiador de calor incorporado para calentar el agua fría doméstica. En climas relativamente templados, como el Mediterráneo, los tanques de almacenamiento (fuertemente 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 caliza y la corrosión, y sufren reducciones similares en la eficiencia general a menos que se les dé un mantenimiento escrupuloso.
Los tanques de calentadores de agua pueden estar hechos de acero al carbono revestido con esmalte vítreo , acero inoxidable o cobre .
Si bien los calentadores de agua domésticos de cobre y acero inoxidable son más comunes en Europa, los calentadores de acero al carbono son más comunes en los Estados Unidos, donde, por lo general, si se descuida el control periódico, el calentador desarrolla una fuga y se reemplaza todo el aparato. [4] Incluso cuando se descuida, los calentadores de acero al carbono tienden a durar algunos años más que la garantía del fabricante, que suele ser de 3 a 12 años en los EE. UU. [ cita requerida ]
Los tanques revestidos con vidrio 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 [5], lo que es necesario ya que el agua clorada es muy corrosiva para el acero al carbono. Como es casi imposible aplicar un revestimiento protector a la perfección (sin grietas microscópicas o defectos del tamaño de un alfiler en la capa protectora) [6], los fabricantes pueden recomendar una revisión periódica de cualquier ánodo de sacrificio y reemplazarlo 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 y plomería de EE. UU. ahora lo exigen) una bandeja de metal o plástico poco profunda para recolectar las filtraciones cuando se produzcan.
Este método almacena calor en un tanque mediante 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 está disuelto en la carga original de agua más cantidades relativamente triviales añadidas para reemplazar las pérdidas por filtraciones.
Un beneficio adicional son los niveles reducidos de oxígeno en un sistema tan cerrado, 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 descalcificadores 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 de agua cerrado , almacenamiento térmico estratificado , tanque de termoclina y almacenamiento de agua en tanque estratificado, pero en todos los casos la diferencia significativa es que se toman medidas para mantener la estratificación vertical de la columna de agua, en otras palabras, mantener el agua caliente en la parte superior del tanque mientras que el agua en la parte inferior 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, y supone una o más de las siguientes medidas:
Cuando un acumulador de agua caliente estratificado tiene circuitos de agua cerrados, las temperaturas del agua pueden alcanzar entre 90 y 95 °C en la parte superior y entre 20 y 40 °C en la parte inferior. El agua tranquila y sin perturbaciones es un conductor de calor relativamente malo en comparación con el vidrio , los ladrillos y el suelo .
(Ilustrado por un lago en calma, donde el agua superficial puede estar cómodamente cálida para nadar pero las capas más profundas pueden estar tan frías como para representar un peligro para los nadadores, el mismo efecto que da lugar a los avisos en los muelles de la ciudad de Londres que advierten "Peligro de aguas profundas y frías").
En consecuencia, 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, lo que anularía el propósito de la estratificación. Cuando se emplea de manera eficaz, 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 se puede almacenar durante mucho tiempo siempre que el agua caliente permanezca sin diluir.
Dependiendo del propósito de las instalaciones, los intercambiadores de agua con tomas a diferentes niveles permiten seleccionar temperaturas de agua adecuadas al uso requerido. [8]
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 cerca de la parte superior del tanque. [1]
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 la parte inferior del tanque. Cuando se extrae el agua de la parte superior del tanque, 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 alcanzan los valores configurados. [9]
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, el más cálido.
Si los termostatos en un sistema de este tipo están invertidos (alimentación caliente desde la parte superior, caliente desde el centro), no solo puede afectar la eficiencia energética del sistema, sino que también puede ser peligroso alimentar agua hirviendo a una salida de agua caliente doméstica o, si se dirige a lavadoras de alimentación caliente, dañarlas irreparablemente.
El agua caliente puede causar quemaduras dolorosas y peligrosas , especialmente en niños y ancianos. El agua en la salida no debe superar los 49 grados Celsius. Algunas jurisdicciones establecen un límite de 49 grados para la temperatura de consigna del tanque. Por otro lado, el agua almacenada por debajo de los 60 grados Celsius puede permitir el crecimiento de bacterias, como las que causan la enfermedad del legionario , que es un peligro particular para las personas con sistemas inmunológicos comprometidos. Una solución técnica sería el uso de válvulas mezcladoras en las salidas utilizadas para lavabos, bañeras o duchas, que mezclarían automáticamente el agua fría para mantener una temperatura máxima por debajo de los 49 C. Una propuesta para agregar esto al código de construcción de Canadá no tuvo éxito. [10]