Sistemas Solares Termicos Diseño E Instalacion(OCR y opt)

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Prólogo Las instalaciones solares térmicas juegan desde hace más de 30 años un papel cada vez más importante en la prevención del cambio climático y en el suministro de energía. A lo largo de estos 30 años, aquellas instalaciones que se hacían de forma artesana, han evolucionado hasta convertirse en sistemas profesionales producidos de forma industrial. El mercado de las instalaciones solares térmicas evoluciona a un ritmo vertiginoso en diversos países de Europa, Asia y la cuenca del Mediterráneo. La presente obra ofrece una traducción adaptada al mercado hispanohablante del libro publicado en marzo de 2001 titulado Langzeiterfahrung Solarthermie (Dilatada experiencia sobre la tecnología solar térmica). Se trata del resultado de 25 años de investigación llevada a cabo en Alemania en el campo de la energía solar térmica, combinado con la aplicación de los conocimientos técnicos más recientes . En 2002 se publicó una traducción al inglés de esta obra, abriéndose así paso en el mercado internacional, bajo el título Solar Thermal Systems (Sistemas solares térmicos) , con el apoyo del Ministerio Federal Alemán de Economía (BmWi) y de la Organización Coordinadora de Proyectos (PtJ) del Centro de Investigación Jülich, haciendo uso de los medios facilitados por el programa OPET de la Unión Europea . Gracias a la iniciativa para el fomento a la exportación de energías renovables de la Agencia de Energía Alemana (Deutsche Energie-Agentur GmbH, «dena»), la obra ha podido ser traducida a los idiomas francés, español, italiano y turco. Nos complace publicar hoy esta obra en el mercado hispano-hablante en cooperación con Censolar. Este manual ofrece conocimientos generales para lograr un diseño y montaje óptimos, así como una utilización eficaz de las instalaciones solares térmicas. Esperamos que sea una obra de gran utilidad, no sólo para los que trabajan en el campo de la tecnología solar (fabricantes, proyectistas, instaladores y mantenedores de instalaciones), sino también para aquellos interesados en esta materia (instructores, estudiantes, etc.).

Dr. Felix A. Peuser

Karl-Hei nz Rem mers

Índice l.

Introducción y conocimientos básicos ............................................... 1

1.1

Evolución del mercado de las instalaciones solares térm icas ................................. l

1.2

Evolución del mercado a nivel mundial. ..................................................................... l

1.3

Evolución del mercado en Europa ............................................................................... 3

1.4

Evolución del mercado de las instalaciones solares t érmicas en Espa ña .............. 6

1.5

Argumentos a favor de las instalaciones solares térm icas ...................................... 8

1.6

Rad iación solar sobre la Tierra ..................................................................................... 9

2.

Análisis del comportamiento a largo plazo de los sistemas solares térmicos ................................... 15

2.1

Comportamiento a largo plazo en Alemania .......................................................... 15

2.2

Inventa rio del Programa de Inversión Futu ra («Zukunftsinvestitionsprogramm » - ZIP) ................................................................ 16

2.3

Defectos frecuentes ...................... ............................................... ................................ 20

2.4

Vida útil de los sistemas sola res té rmicos ............................................ .................... 25

3.

Aplicaciones y principios básicos de diseño ..................................... 27

3.1

Desarrollo de la tecnología de las instalaciones sola res térm icas ........................ 27

3.2 3.2.1 3.2.2 3.2.3 3.2.4 3.2.5

Valores característicos de la s instalaciones sola res té rmicas ............................... 29 Carga de consumo específica.... .......................... ...................... ........................ 30 Rendim iento... ....................... ........................ ............ 31 Fracción solar ......................... . ......................................................................... . 33 Factor de productividad .. ············ 35 Cost es de l ca lor so lar ....................... . ................................................................. . 35

3.3

Requisitos de higiene de agua sanitaria (prevención de la legionelosis) ............ 36

3.4 3.4.1 3.4.2 3.4.3

Instalaciones solares de A.C.S . ................................................................................... 38 Sistemas por termosifón .... ...................................... ..... 38 Instalaciones de A.C.S. pequeñas de circulación forzada..... ........................ .41 Instalaciones de A.C.S. medianas y grandes con acumu ladores de agua sanitaria ............................... . ... 42 Insta laciones de A.C.S. medianas y grandes con acumu ladores de inercia ......... . .............................. 46 Configuraciones pa ra viviendas multifami liares ......................................... . ........ 57

3.4.4 3.4.5 3.5 3.5.l 3.5.2 3.6 3.6.1 3.6.2

3.7 3.7.1 3.7.2 3.7.3

Instalaciones solares de A.C.S. y calefacción .......................................... .................. 63 Informaciones básicas sobre los sistemas combinados de A.C.S. y ca lefacción . ...... ............... .............. 63 Diseño bás ico de las instalaciones solares de A.C.S. y apoyo a la ca lefacción.... ......... 65 Calefacción solar de distrito ................................................... .................................... 70 Desarrollo tecnológico de la integración de las instalaciones solares en las redes de distribución..... ......... 70 Ejemplos de la integración de las instalaciones solares en las redes de distribución........... . .................................... .. 71 Climatización solar ...................................................................... ................................ 75 Tecno logía de climatización solar ......... 75 Aspectos económ icos ........................... ..... 84 Planifi cación ....................... ............... 85

3.8

Sistemas de vaciado automático («dra in-back ») .................................................... 86

3.9

Calefacción solar por aire ............................................................................................ 89

4.

Principios básicos del dimensionado de las instalaciones solares térmicas ............................................... 91

4.1

Diferencias entre el dimensionado de las instalaciones convencionales y la s instalaciones solares .............................................................. 92

4.2

Empleo de los valores de consumo estándar de sistemas convencionales para las instalaciones solares ........................................................ 94

4.3

Normativa solar en España ......................................................................................... 95

4.4 4.4.1 4.4.2 4.4.3 4.4.4 4.4.5

Instalaciones sola res exclusivamente para A.C.S ................................................... 96 Principios básicos para evitar sobredimensionados ....................................................% Consumos significativos de agua caliente .............................. 97 ........ 102 Med ición de consumos significativos ...................................... Va lores de consumo recomendados para el dimens ionado........ ........ 105 Dimensionado del campo de captadores y del acumu lador .................................. 109

4.5 4.5.1 4.5 .2

Instalaciones sol ares para A.C.S. y apoyo a la calefacción ................................... 120 Demanda de energía para agua caliente y calefacción ... ...... .. .................... ........... 120 Reg las prácticas para el dimensionado... ............................................................ 122

4.6

Calefacción solar de distrito ..................................................................................... 128

5.

Captadores solares ........................................................................... 129

5.1 5. 1.1 5. 1.2 5.1.3 5.1.4

Fu nción y valores caracte rí sticos .............................................................................129 Cu rvas de rend imiento de los captadores................................................ ..... 129 Refl exión en la cub ierta transparente.......... ............................ 133 Otros valores característicos del captador. .. ..... ...................... .......... 134 Definiciones de las áreas de un captador .. .............................. 135

5.2 5.2.1 5.2.2 5.2.3

Tipos de captadores ................................................................................................... 139 Captadores planos estándar............................... ............................ 140 Tipos especia les de captadores planos ........................... ............................. 142 Captadores de tubos de vacío .............. ......... ........................ 143

5.3 5.3 .1 5.3 .2 5.3 .3

Absorbedores .............................................................................................................. 147 Función y características................................ .................................... ............ 147 Materiales y tipos de absorbed o res....... ................... ............ 150 Tipos y materia les de absorbedores actuales...... ..... 154

5.4 5.4.1 5.4.2 5.4.3

Recubrimientos del absorbedor ............. .................................................................. 157 Función de l recubr imiento del absorbedor .. ................................................... 157 Recubrimientos del absorbedor utilizados en el pasado ................. 158 Recubrimientos de los absorbedores actuales ............................................................ 164

5.5 5.5. 1 5.5.2 5.5 .3

Carcasa del captador ................................................................................................. 168 Tarea y función.............................................. ................................. ....................... 168 Carcasas de captadores usadas en el pasado............... ................... ..... 169 Carcasas de captadores actuales ............................ ........................... 170

5.6 5.6.1 5.6.2 5.6.3

Reflectores .................................................................................................................. 171 Tarea y función..... ............................................................. 171 Experiencia con los reflectores ............................. ........................................................... 171 Requisit os de los reflectores.......... ................................ .............. 172

5.7 5.7.1 5.7.2 5.7.3 5.7.4

Cubierta transparente del captador ........................................................................ 172 Tarea y función. .... ................................................. ...................................... 172 Cubiertas utilizadas en el pasado ...... 173 .174 Suciedad en las cubiertas transparentes.................... Dism inución de la transparencia de la cubierta con el paso del tiempo ........... 178

5.8 5.8.l 5.8.2 5.8.3 5.8.4

Aislamiento térmico y juntas ................................................................................... 180 Tarea y fu nción ..................... ....... 1 80 Aislamientos térmicos usados en el pasado.............................................. .......180 Experiencia actual co n mate ria les de aislamiento térmico..... ................. 1 84 Requ isitos para materiales nuevos para juntas........................................ ....... 185

5.9 5.9. 1 5.9.2

Normas y métodos de ensayo para captadores ....................................................185 Ensayos de du rabil idad y f iabi lidad del capt ador... ..............186 M edición de l re ndi mient o del ca ptador .........................................................................188

5.10

Divergencia entre los resultados de la medición del rendimiento .....................190

5.11

Uso de los valores característicos. Cálculos del aporte de energía solar ....................................................................... 191

5.12

Certificación ................................................................................................................192

5.13

Normas adicionales pa ra componentes del captador .......................................... 193

5.14

Ensayos de sistema ....................................................................................................193

6.

Tipos de montaje de los captadores ............................................... 197

6 .1

Montaje en el suelo o en pérgolas ...........................................................................198

6.2 6.2 .l 6.2.2

Montaje en cubierta inclinada ................................................................................. 199 M ontaj e en cubierta incli nada ......................................................................................1 99 Integración en cub ierta incli nada............. ............................. ...... 200

6.3 6.3.1 6.3.2 6.3.3 6.3.4 6 .3.5

Montaje en cubierta plana ....................................................................................... 202 Requisitos del mont aje en cubierta plana ..................................................................... 202 Cu bierta plana con cargas distribu idas................................................. ..... 204 Cubiertas planas co n soportes sepa rados a poca distancia ....................................20 5 Cubierta plana con soportes separados a gran dist ancia ........................................ 206 Tubos de vacío sobre una cubierta plana ..................................................................... .206

6.4 6.4.1 6.4.2 6.4.3

Montaje en fachada ...................................................................................................207 Aspectos principa les....................................................... ................... ..... 207 Capt adores planos mont ados en fachada. ......... ..............................207 Tubos de vacío montados en fac hada... .............................................208

6 .5 6.5.1 6.5.2

Montaje de los sistemas por termosifón prefabricados ......................................209 Montaj e en cub iertas planas.... .. ..................... ... ............................... 209 Mont aje en cubiertas inclinadas.... .................................................................. 209

7.

El circuito primario ........................................................................... 211

7.1

Requ i ~itos princi~ale~ de l~s cor:nponentes y

7.1.1 7.1.2 7.1. 3 7. 1.4 7.1.5

materiales en el c1rcU1to primario ...........................................................................211 Componen t es del circuit o prima rio....... ............................................................... 211 Tem pera t uras de trabajo en el circuit o primario .............. .......................................... 21 2 Pres iones de t rabaj o en el ci rcu ito primario ............................ ................................... 213 .....................................21 5 Proceso de va porización en el circu ito pri mario........... Co m po rtamien t o res pecto a la eb ullición de los sistem as por termos ifón ... .......... ....................................... 219

7. 2 7.2.1 7.2.2 7.2.3 7.2.4

Conexionado de captadores .....................................................................................221 Insta laciones pequeñas de conexionado en para lelo ................................................ 22 1 Conexionado en se rie en instalaciones pequeñas...... ...... ............... 224 Conex ionado de campos solares grandes con retorno invertido........... ... 226 Alternativas al retorno invertido para el conex ionado de campos solares gra ndes............... ...... ........... .............................. .... 227

7.3 7.3.1 7.3.2 7.3.3

Modos de flujo en el circuito primario .................................................................... 229 Flujo normal .................................................... ..................................................................... 229 Bajo flujo....... ............................ ....................................................................... 230 Flujo ajustado.................................................. ........................... 231

7.4 7.4.1 7.4.2 7.4.3

Fluidos de trabajo ...................................................................................................... 232 Requisitos....................................................................................... .............. .. 232 Evaluación a largo plazo de los fluidos de trabajo ..................................................... 234 Aplicación de lo s fluid os de trabajo........ ................ .. .............................................. 237

7.5 7.5.1 7.5.2 7.5.3

Tuberías del circuito primario .................................................................................. 239 Requisitos....... ............................... ...................................... .... 239 Evaluación de los resultados a largo plazo de las tuberías del circu ito primario.............................................. .......................... ..... ....... 240 Instalación de las tuberías en un circuito primario ................................................... 242

7.6 7.6.1 7.6.2 7.6.3

Aislamiento térmico de las tuberías del circuito primario .................................. 244 Requisitos............ .......................................................................................................... 244 Estudio a largo plazo de los aislamientos térmicos .................................................. 245 Selección e instalación de los materiales aislantes..... .......................... 251

7.7 7.7.1 7.7.2 7.7.3 7.7.4 7.7.5

Vasos de expansión ................................................................................................... 253 Función y requisitos.... ....................... ................................................ 253 Evaluación a largo plazo de los vasos de expansión.. ........... ............. 255 Dimensionado correcto de los vasos de expansión cerrados ................................. 258 Instalación correcta de los vasos de expans ión .......................................................... 266 Aplicación de los vasos tampón... ............................................... 267

7.8 7.8.l 7.8.2 7.8.3

Bombas de circulación ............................................................................................... 269 Función y requisitos........................ ...................... ..................... .............. 269 Evaluación a largo plazo de las bombas de circulación .......................................... 270 Ap licación correcta y dimensionado................. ............................... ......... 272

7.9 7.9.1 7.9.2

Accesorios .................................................................................................................... 276 Requisitos ............................................................................................................................... 276 Evaluación a largo plazo de los accesorios del circuito primario ................. .......... 276

7.10 7.10.l

Purga de aire ...............................................................................................................277 Función y requisitos......................... ............................... ......... 277

7.11 7.11.1 7.11.2 7.11.3

Equipo de seguridad .................................................................................................. 284 Requisitos ......... ........................ ......... ............................................................................... ...... 284 Conceptos de seguridad....... ........ 284 Experiencias a largo plazo con los equipos de seguridad ....................................... 287

8.

Acumuladores .................................................................................. 289

8.1

Función

8.2 8.2.1 8.2.2

Tipos de acumuladores ............................................................................................. 290 Acumuladores de agua caliente sanitaria ..... ......................... .................................... 290 Acumuladores de inercia................... ................................................................ 291

8.3

Aislamiento del acumulador .................................................................................... 293

8.4 8.4.1 8.4.2 8.4.3

Procesos de carga y descarga del acumulador ...................................................... 294 Carga .............................. .......................... ....................................................... ..... 294 Descarga................. ...................................................................... 298 Integración de tuberías de recirculación .................................................................. ... 299

8.5

División del volumen de acumulación. Interconexión de acumuladores ......... 299

8.6 8.6.1

Resultados de las inspecciones ................................................................................ 303 Problemas con la conexión en parale lo de los acumuladores..... ................. 303

8.7

Evaluación de las condiciones de los acumuladores de las instalaciones antiguas ................................................................................... 305

y requisitos ........................... ........................................................................ 289

9.

lntercambiadores de calor ............................................................... 307

9.1

Función y requ isitos ...................................................... ............................................. 307

9.2 9.2.1 9.2.2

Tipos de intercambiadores ...................................................................................... .307 lntercambiadores de calor internos ........... .307 lntercambiadores de calor externos....... ....................... ............ 309

9.3 9.3.1 9.3.2

Recomendaciones sobre el diseño ...........................................................................310 lntercambiadores de ca lor internos tipo serpe ntí n ................................................... 310 lntercamb iadores de ca lor externos ......................................... ..................................... 311

10.

Control de la instalación solar ........................................................ 315

10.1

Función y requisitos ................................................................................................... 315

10.2 10.2.1 10.2.2 10.2.3

Métodos básicos del control de ca rga del acumulador solar .............................. 316 Cont ro l de carga de un acumu lador con intercambiador interno ......................... 316 Control de carga de un acumulador con intercambiador de ca lor externo ...... 32 1 Co ntrol de carga optimizado para alca nzar altas temperaturas o .....323 una tem peratu ra objetivo en el acumu lador ...................... 10.2.4 Ca rga del acum ulador con co nex iones a dife rentes altu ras.............. .......324

10.3 10.3. 1 1 0.3.2

Métodos básicos del control de descarga del acumulador solar ........................326 Sist em as de agua ca liente sa nitari a ............................................................. 326 In st alaciones so lares de apoyo a la calefacc ión ....... .............337

10.4

Evaluación de los controles de los sistemas viejos ............................................... 338

10.5 1 0.5.1 10.5.2 10.5.3

Recomendaciones para la práctica .......................................................................... 341 Control solar y técnicas de contro l de procesos ........................................................... 341 Sensores de temperatura ................................. ................. ........ ...... 34 2 Insta lación de los sensores... ....................... ......... 344

11.

Valores característicos de diferentes tipos de sistemas solares térmicos ........................................................... 347

Valo res característicos en función de la localización , el diseño y los componentes .................................................................................... 347 11.1.1 Loca lización de l sist ema......... .................................. ........ 34 8 ...... 34 9 11.1.2 Va ri aciones anuales en las cond iciones climát icas 11.1.3 Incli nación y orientación de l campo de captadores . ............ 34 9 11.1.4 Ca lidad de los compo nentes de l sistema ........... . ......... 35 1 .35 4 11.1.5 Diseño del sistema ............................. . 11.1.6 Camb ios en la dema nda de energía ........................... . .... 35 5 11.1

11.2

Valores característicos de los sistemas solares térmicos de construcción reciente ................................................................................. ..........356 11.2.l In st alaciones solares de A.C.S. pequeñas.. ....... 3 56 11.2.2 In st alaciones so lares de A.C.S. medianas y grandes... ..360 11.2.3 Sistemas co mbinados de A.C.S.y calefacc ión co n una baj a fracción solar en Aleman ia ........................ ....371 11.2.4 Sist em as combi nados de A.C.S. y ca lefacción co n una fracc ión solar elevada en Ale m ania .................... 374 11.2.5 Inst alaciones conecta das a las redes de calefacc ión de distrito . ..37 6

11.3 .1 11.3.2

Variaciones en los valores caracte rísticos de las instalaciones solares antiguas ..................................................................... .379 Razones de los cambios de rend imiento.................................................... ........... 379 Cambios de los va lores característicos .... ........................... . ............................ 381

12.

Anexo ................................................................................................. 383

11.3

12.1

Bibliografía ..................................................................................................................383

12.2

Material fotográfico ..................................................................................................387

12.3

Direcciones de Organizaciones, 1nstitutos y Empresas ....................................... .388

1.1 Evolución del mercado de las instalaciones solares térmicas

l. Introducción y conocimientos básicos 1.1 Evolución del mercado de las instalaciones solares térmicas Debido a la tendencia creciente en la demanda de energía a nivel mundial, se prevé que en el transcurso de los próximos 40 años las fuentes de energía fósil llegarán a sus límites, o sea, las reservas tanto de petróleo crudo como de gas natural se habrán consumido en su mayor parte. El uso continuo del petróleo fósil ocasiona graves daños en el medio ambiente y origina cambios climáticos irreversibles. En muchos países de clima árido se suele emplear leña para encender el fuego con el que cocinar alimentos y calentar agua, lo que lleva a deforestación, formación de estepas y erosión . El informe del Club de Roma del año 1970 («Los límites del crecimiento») y la primera crisis del precio del petróleo en 1973 atrajeron la atención mundial. Como consecuencia a estos sucesos, se inició la primera fase de desarrollo de la tecnología solar en muchos países. La energía solar es una fuente inagotable que garantiza una reserva permanente de suministro de energía y de riqueza disponible en nues tro planeta. En el transcurso de las próximas décadas la tecnología solar transformará las estructuras actuales del sistema energético, debido especialmente al continuo desarrollo del mercado internacional.

1.2 Evolución del mercado a nivel mundial La superficie total de los captadores instalados en el mundo en 2002 era aproximadamente de 10 millones de m 2 . En la figura 1.1 se aprecia claramente que la República China representaba el 75 % del mercado internacional, teniendo un gran número de fabricantes nacionales, que producen tanto captadores de tubos de vacío como captadores planos. Según la figura 1.1, exceptuando Turquía, Israel y Europa en su conjunto, el resto de países muestra una participación en el mercado de la energía solar práctica mente insignificante. En todo el continente africano, los Estados Unidos de América, América Central y América del Sur, así como en casi todas las regiones de Asia, apenas ha empezado el aprovechamiento del enorme potencial de las aplicaciones para instalaciones solares térmicas. Esto implica, a su vez, que existen grandes oportunidades de expansión, en estos mercados

1

l. Introducción y conocimientos básicos

aún no desarrollados, para los fabricantes y otras industrias del sector de la tecnología solar.

Resto del mundo

4% Japón 2%

Figura 1.1 Área de captadores instalados en diferentes regiones del mundo en el año 2002 /1/.

El área de captadores instalados por habitante constituye un parámetro importante mediante el cual se evalúan el desarrollo del mercado y el potencial para las instalaciones solares térmicas. En la figura 1.2 se indican las superficies de captadores instalados por cada 1000 habitantes en diferentes países. De la figura 1.2 se deduce claramente que el área de los captadores instalados en casi todos los países se halla en un nivel extremadamente bajo, aproximadamente 0,02 m 2 por habitante, (el equivalente a un área de 10cmx20cm). Esto se aplica igualmente a China, a pesar de que su participación en el mercado internacional sea mayor. No obstante, países como Grecia y Austria demuestran un enorme potencial para las instalaciones solares térmicas cuando se observa el cociente entre el área de captadores instalados y el número de habitantes, muy superior al de la mayoría de los demás países. Otro ejemplo en donde se ha logrado aumentar ese cociente es Chipre, con un valor de 800 m 2 por cada mil habitantes, o sea, 0,8 m 2 por persona. Es lógico suponer que, incluso en esos países, el mercado continuará creciendo, gracias al continuo desarrollo de la tecnología solar y a la introducción de nuevas aplicaciones como la climatización solar. Es obvio que en un futuro próximo y a medio plazo el mercado en casi todos los países del mundo experimentará tasas de crecimiento enormes.

2

1.3 Evolución del mercado en Europa

60

0,0

100

200

150

250

-

800 __J

Chipre Grecia Austria Alemania Dina marea r:;::;;:::c::;;::::::::::;;:::::;;:::::!::l:~:C:::::::::::cltm~ Suiza Europa China Suecia Holanda Portugal España Italia Bélgica Francia Reino Unido Finlandia India

0,0

10

20

30

40

50

60

(m'/1000 habitantes)

Figura 1.2 Estudio de la superficie de captadores instalados por cada 1000 habitantes en diferentes países /1, 3/

1.3 Evolución del mercado en Europa En los últimos años, en muchos países europeos se están ampliando considerablemente las actividades relacionadas con el desarrollo de la tecnología solar. En varios de ellos se han introducido ecotasas, programas de subvención u otras medidas para incentivar el uso de la tecnología de las energías renovables. El Libro Blanco de la Unión Europea, en el sector de la Energía, prevé que hacia 2010 el suministro de las energías renovables habrá crecido en toda Europa hasta representar el 12 % del aporte total de la UE. Las inversiones correspondientes para este período se estiman en aproximadamente 165 000 millones de euros. Se pronostica la creación de 500 000 puestos de trabajo y, además, para el 2010 se espera un mercado de exportación anual equivalente a 17 000 millones de euros, a lo que se añade la posibilidad de crear 350 000 puestos adicionales. Los diferentes estados de la UE persiguen estos objetivos ambiciosos por medio de programas para fomentar el mercado. Además, por medio de campañas de concienciación, se puede llegar a contribuir considerablemente al desarrollo nacional en cada estado. Otro factor que desempeña un papel importante con respecto a la evolución del mercado de las instalaciones solares térmicas a nivel europeo es la Directiva de Edificación Europea, la cual se está desarro-

3

l. Introducción

y conocimientos básicos

liando actualmente, y que pretende llevar a un aumento significativo en la incorporación de instalaciones solares a los edificios de reciente construcción. El potencial técnico-económico para instalaciones solares térmicas en Europa se estima, según análisis moderados, en un valor de 1400 millones de metros cuadrados (100 veces más que hoy día). Estas instalaciones podrían suministrar el equivalente al 6 % de la demanda europea de energía final /4/. otros expertos consideran un potencial del 10 % al 15 % de dicha demanda total. En la figura 1.3 se señala la situación del mercado europeo en el año 2003, en el cual se instalaron 1,4 millones de m 2 de captadores solares. DKl %

SE 1 %

BE 1 %

UK2 % CH2%

FI >) en el Camping de Urbasa (Navarra}, (Foto: Wagner Solar).

201

6. Tipos de montaje de los captadores

Hay que tener en cuenta igualmente las siguientes recomendaciones: • Se deben examinar con especial atención los marcos suministrados para la integración de los captadores en la cubierta, verificando que el espesor del material sea el adecuado y comprobando su correspondencia exacta con las tejas de la cubierta. • Se debe tener presente que las tejas necesitan una superposición mínima. • Las tejas se han de ajustar cuidadosamente al marco utilizando, si fuera preciso, piezas de ajuste. • Si se pone en duda la impermeabilidad de la cubierta, se ha de realizar una prueba usando una manguera de riego y, en caso necesario, hacer una reclamación al fabricante. • No se debe utilizar silicona para el sellado. • Se debe sellar cuidadosamente la lámina impermeabilizante inferior de la cubierta después de haberla atravesado con los conductos de los ca bles y tu be rías.

6.3 Montaje en cubierta plana 6.3.1 Requisitos del montaje en cubierta plana En caso de que el montaje se lleve a cabo sobre cubierta plana, se podrá obtener el ángulo de inclinación óptimo de los captadores solares mediante el empleo de una estructura soporte adecuada . El espacio mínimo que se deja entre las filas de los captadores con el fin de evitar el sombreado provocado por las filas posteriores, depende del ángulo de inclinación de los mismos y del lugar de ubicación (altura del Sol mínima). Como criterio para determinar la distancia mínima entre las filas se suele considerar que al mediodía del solsticio de invierno no haya sombras en los captadores. El solsticio de invierno tiene lugar el 21 de diciembre en el hemisferio norte y el 21 de junio en el hemisferio sur. El 21 de marzo y el 21 de septiembre (equinoccios), la altura del Sol alcanza su valor medio en todas las latitudes de la Tierra. La altura del Sol, a, al mediodía solar alcanza en esos días un ángulo de : a= 90 ° - ABS (latitud)

(ABS: valor absoluto). El 21 de diciembre y el 21 de junio, la altura solar varía en -23,5° y +23,5 ° respectivamente, con respecto a su valor en los equinoccios.

202

6.3 Montaje en cubierta plana

o a a b Figura 6. 7 Determinación de la distancia mínima entre filas de captadores en caso de montaje sobre cubierta plana.

Para un campo de captadores con una altura a, la distancia b entre cada fila (figura 6.7) se determina según la ecuación :

b =a /tan a A fin de evitar el sombreado provocado por las filas posteriores en el mediodía de solsticio de invierno, la distancia necesaria se ha de calcular de la siguiente manera : a= 90° -ABS (latitud) - 23,5 ° Por ejemplo, para Madrid (latitud= +40,4°) : b =a/tan a= a/tan (90 ° - 40,4° - 23,5 °) = a/0,49 = 2,04 a

Para Berlín (latitud 52 °):

b =a/tan a= a/tan (90 ° - 52 ° - 23,5°) =a /0,258 = 3,87 a En Madrid, la distancia necesaria entre las filas es unas dos veces superior a la altura del captador. En el caso de Berlín, este valor asciende casi a cuatro veces . Como en Berlín durante los meses de invierno la contribución al aporte solar anual suele ser relativamente pequeña, una distancia un poco menor que la mínima teórica necesaria, aunque produzca algo de sombreado, sólo conlleva una ligera disminución de dicho aporte solar. Al determinar la superficie disponible en la cubierta hay que tener presente un margen de alrededor de 1,5 m en todos los bordes de la misma, con el fin de facilitar el acceso para mantenimiento y reparación . Además, este margen disminuye las cargas de viento, ya que pueden producirse fuertes ráfagas en las proximidades de los bordes, evitándose así el peligro de desprendimientos (por ejemplo, de trozos de vidrio rotos) . Según las condiciones climáticas locales, es importante que se tomen medidas para que la nieve pueda deslizarse sin impedimento por los captadores. Es, por tanto, recomendable dejar un espacio suficiente entre el borde inferior de los captadores y la cubierta. Por motivos de

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6. Tipos de montaje de los captadores

accesibilidad para el caso de necesitarse efectuar reparaciones, este espacio no debería ser inferior a 30 cm. Las perforaciones necesarias para las tuberías y la estructura soporte en la cubierta deben realizarse con esmero. A fin de garantizar la impermeabilidad a largo plazo, los puntos de perforación se han de elevar, por lo menos, 8 cm por encima de la capa por donde circula el agua, utilizando manguitos y anillos de unión, o bridas y rebordes pegados. Se aconseja realizar cuidadosamente el aislamiento térmico de las partes donde se ha fijado la estructura soporte, a fin de evitar perjuicios debidos a puentes térmicos en los elementos constructivos del edificio. Además de las cargas estáticas del captador, la estructura soporte debe ser capaz de resistir las cargas dinámicas de viento. En caso necesario, se debe consultar a un analista especializado en cálculos estáticos y dinámicos.

6.3.2 Cubierta plana con cargas distribuidas En las cubiertas planas capaces de soportar cargas distribuidas, los captadores se pueden sujetar por medio de placas de hormigón o bandejas llenas de gravilla , que se suelen colocar sobre la cubierta. A fin de proteger la superficie de ésta, cuya perforación se evita en este tipo de montaje, estos elementos de sujeción se han de colocar sobre esterillas o planchas protectoras de alta calidad . Un requisito imprescindible es que la cubierta debe ser capaz de soportar holgadamente las cargas adicionales. Las cubiertas de gravilla son más apropiadas para esta variante de montaje.

Figura 6.8 Montaje de captadores en cubierta plana con losa de hormigón.

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6.3 Montaje en cubierta plana

Figura 6.9 Montaje de captadores en cubierta plana con bandejas llenas de gravilla en una instalación solaren Pamplona {Foto: Wagner Solar).

6.3.3 Cubiertas planas con soportes separados a poca distancia Este tipo de cubierta tiene una estructura interior tal que permite que la estructura soporte del campo de captadores se sujete a la cubierta con soportes separados a poca distancia. Se pueden utilizar elementos de perfiles de acero o vigas de celosía, parecidas a la estructura de un andamio. La distancia y el número de soportes se ha de determinar en cada caso, según la estructura interior de la cubierta, optimizando el número de perforaciones necesarias. Este tipo de estructura soporte se puede realizar a unos costes relativamente bajos. En los casos analizados, los costes ascendieron a unos 75 euros por m 2 de superficie de captación .

Figura 6.10 Estructura soporte con vigas de celosía para el montaje del campo de captadores en la universidad Otto-von-Cuericke, Magdeburg (Alemania).

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6. Tipos de montaje de los captadores

6.3.4 Cubierta plana con soportes separados a gran distancia En caso de cubiertas que no permiten soportes intermedios o sólo en muy pocos puntos, se necesitan estructuras robustas (y caras) para el montaje de los captadores, que a veces tienen que cubrir toda la cubierta. En casos especiales, los costes relativos a su construcción ascendieron a un valor de hasta 225 euros por m 2 de área de captación.

También aquí es posible lograr una reducción notable de costes utilizando vigas transversales o vigas de celosía en piezas estándar, como las que se suelen emplear en las construcciones de andamios. Se deben considerar los siguientes factores: • Asegurar la impermeabilidad al agua, esmerándose en el trabajo y realizando un sellado como es debido. • Al dimensionar las vigas, es necesa río tener presente las cargas dinámicas del viento y la nieve, a fin de impedir cualquier desplazamiento, o incluso el «levantamiento» del campo solar. • Evitar puentes térmicos, llevando a cabo un aislamiento térmico adecuado cuando sea necesario. • Emplear elementos prefabricados, o construirlos expresamente en la cubierta, para los pasa muros de tuberías y cables. • En casos de dudas se recomienda contratar a un especialista en cubiertas. En un programa de investigación reciente se trató en particular el desarrollo de las «estructuras de soporte de las instalaciones solares», cuyos resultados se publicaron en un manual de diseño de estructuras soporte de instalaciones solares (actualmente disponible sólo en alemán} /43/. 6.3.5 Tubos de vacío sobre una cubierta plana Los tubos de vacío de flujo directo pueden colocarse en posición horizontal sobre la cubierta, sin embargo esta solución no es recomendable en regiones donde nieve, ya que al derretirse y volverse a congelar la nieve entre los tubos, se originan fuerzas que pueden llegar a reventarlos, o causar una rotura de los tubos pasantes. Los captadores de tubos de vacío del tipo tubo de calor («heatpipe») requieren siempre cierta inclinación para funcionar correctamente {véase el apartado 5.2.3). En algunos diseños los tubos o los absorbedores son giratorios, de tal forma que se pueden orientar al Sol con el ángulo deseado.

El ahorro de costes en la estructura soporte puede reducir considerablemente, o incluso compensar, los mayores costes de los tubos de vacío en comparación con los captadores planos.

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6.4 Montaje en fachada

Figura 6.11 Captador de tubos de vacío colocado sobre una cubierta ligeramente inclinada {Solarpraxis AG, Berlín, Alemania).

6.4 Montaje en fachada 6.4.1 Aspectos principales En latitudes medias, la irradiación anual sobre una superficie vertical equivale sólo a un 60 % ó 65 % de la correspondiente a una superficie con inclinación óptima . En las regiones ecuatoriales este porcentaje es mucho menor. Si por razones de estética, o por falta de otras superficies adecuadas, se desea efectuar el montaje en una fachada, se debe contar con la reducción correspondiente del aporte solar anual. No obstante, si se utiliza un montaje vertical con fines de apoyo a la calefacción en invierno, se producirá una reducción de los períodos de estancamiento y del excedente en verano. Hay que tener en cuenta que la colocación vertical produce diferentes presiones estáticas en los captadores, según su situación. Como la instalación de los captadores sobre fachada suele estar condicionada por la ubicación de ventanas o balcones, es posible que se originen costes relativamente altos en relación con el tendido de las tuberías.

6.4.2 Captadores planos montados en fachada Los captadores planos pueden instalarse con un ángulo diferente al de la fachada, sirviendo de esta manera, por ejemplo, de elementos de sombra, de parapeto de balcón o de antepecho de terrazas. Asimismo, se pueden integrar completamente en la fachada. Varios fabricantes

207

6. Tipos de montaje de los captadores

ofrecen los sistemas de jamba y pestillos. Los captadores integrados en la fachada pueden reducir, pero no sustituir, el aislamiento térmico necesario para la misma. Además, pueden reemplazar a los elementos decorativos de la fachada, llevando a una reducción de costes.

Figura 6.12 Captadores planos instalados en fachada (Stiebel Eltron, Alemania).

6.4.3 Tubos de vacío montados en fachada Los tubos de vacío se pueden instalar igualmente en pretiles o en superficies verticales. Algunos de estos captadores disponen de absorbedores que se pueden montar girados con respecto al plano de apertura para conseguir una mejor alineación con respecto al Sol. De esta manera, se logra obtener un rendimiento mayor que con los captadores planos montados en fachada. Dado que los tubos se han de colocar delante de la propia fachada, suelen ejercer poca influencia en el aislamiento térmico de la misma.

Figura 6.13 Tubos de vacío montados en fachada (Foto: DGS).

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J

6.5 Montaje de los sistemas por termosifón prefabricados

6.5 Montaje de los sistemas por termosifón prefabricados La instalación de los sistemas por termosifón prefabricados representa un caso especial. Una unidad prefabricada típica consiste en uno o más captadores con el acumulador montado en posición horizontal en la parte superior. El peso de la unidad completa es relativamente elevado, debido precisamente al acumulador, con un peso relativo de entre, aproximadamente, 50 kg y 125 kg por m 2 de área de captación. Una de las desventajas de estos sistemas es que suelen causar un impacto visual negativo.

6.5.1 Montaje en cubiertas planas El montaje más sencillo y común se realiza en terrazas planas o azoteas, a las que se debe poder acceder con facilidad. Los sistemas por termosifón son más apropiados para usar en climas moderados con cortos períodos de heladas, o carentes de ellos. La instalación es, en general, sencilla de efectuar, conectándose fácilmente al suministro de red convencional, ya que los depósitos de agua suelen colocarse habitualmente sobre la cubierta. Debido al propio peso del equipo, no se necesitan anclajes para efectuar la sujeción en la cubierta, aunque, lógicamente, ésta deberá ser capaz de aguantar la carga adicional.

Figura 6.14 Sistema por termosifón prefabricado para montaje sobre cubierta plana (lnterso/ar, Grecia).

6.5.2 Montaje en cubiertas inclinadas El montaje del conjunto de acumulador y captador sobre una cubierta inclinada (figura 6.14) exige, en primer lugar, que ésta sea capaz de aguantar la carga adicional. La colocación del acumulador por encima de la cubierta requiere una estructura soporte fiable, la cual, al mismo tiempo, no debe afectar a la impermeabilidad de dicha cubierta.

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6. Tipos de montaje de los captadores

Figura 6.15 Sistema por termosifón sobre una cubierta inclinada, con acumulador en el exterior.

La ubicación del acumulador por bajo la cubierta ofrece una alternativa para la integración de un sistema por termosifón (figura 6.15). Para lograr mantener la circulación, es esencial asegurar una inclinación mínima de las tuberías entre captador y acumulador. Por tal motivo, se requiere suficiente espacio en el desván por encima del captador. Este tipo de montaje no se puede llevar a cabo, por ejemplo, en el ático.

Figura 6.16 Sistema por termosifón sobre una cubierta inclinada, con acumulador en el interior.

210

7.1 Requisitos principales de los componentes y materiales en el circuito primario

7. El circuito primario 7.1 Requisitos principales de los componentes y materiales en el circuito primario 7.1.1 Componentes del circuito primario Los componentes principales del circuito primario son los siguientes (figura 7.1): • Captadores. • Tuberías de conexión entre los captadores y tuberías entre el campo de captadores y el acumulador. • Aislamiento térmico de las tuberías. • Purgadores de aire. • Equipo de seguridad (válvulas de seguridad, vaso de expansión}. Los sistemas indirectos están provistos de: • lntercambiador de calor. • Fluido de trabajo en los captadores y las tuberías. Finalmente, los circuitos de circulación forzada constan además de: • Bomba de circulación y válvulas.

Purgador de aire manual

Tuberías

Válvula de seguridad

Aislamiento térmico

Purgador de aire /;.

Vaso de expansión

Figura 7.1 El circuito primario y sus componentes.

211

7. El circuito primario

Mientras que el lado primario del intercambiador de calor, por donde circula el fluido de trabajo, se asigna al circuito primario, su lado secundario puede formar parte del circuito secundario o del circuito de consumo. Como en ciertos casos el intercambiador de calor está incorporado en el acumulador, en especial en las instalaciones pequeñas, la interfaz del circuito primario se coloca por delante del intercambiador de calor. Sólo en esta última posición es posible la instalación de aparatos de medición, como por ejemplo, un contador de energía (véase el apartado 3.2). Por tal motivo, los intercambiadores de calor serán tratados en un capítulo aparte (capítulo 9). 7.1.2 Temperaturas de trabajo en el circuito primario Es necesario seleccionar todos los componentes mencionados considerando las temperaturas y presiones máximas que pueden presen tarse en el circuito primario o en el campo de captadores. Durante períodos de estancamiento con alto nivel de irradiancia, las temperaturas elevadas en el campo de captadores y en ciertas partes del circuito primario pueden representar un problema. En los sistemas de circulación forzada, el estancamiento se puede producir al desconectar intencionadamente la bomba, por ejemplo, por razón de mantenimiento, o en caso de un defecto en el control o en la bomba, o si se han alcanzado las temperaturas máximas permisibles en el acumulador. Si la irradiancia durante un período de estancamiento es muy elevada, los captadores planos pueden alcanzar temperaturas de aproximadamente 200 ºC y los captadores de tubos de vacío se podrán calentar hasta unos 300 ºC. Por lo general, estas temperaturas máximas sólo suelen darse en los captadores o en las tuberías de conexión. Cuanto mayor sea la distancia entre los componentes y el campo de captadores, más bajas serán las cargas térmicas. No obstante, existen casos especiales en los que incluso en las partes más remotas del circuito se presentan temperaturas elevadas (véase el apartado 7.1.4). Al reanudar la marcha la bomba tras un período de estancamiento debido a los motivos anteriores, es posible que dentro del circuito primario se produzcan temperaturas máximas de hasta 160 ºC, directamente en la salida del captador. La distancia a la cual se propaga este «frente de calor», a través del circuito e incluso hasta la tubería de retorno, depende en gran parte del captador en sí, de las temperaturas en la parte inferior del acumulador, así como de la configuración de la red de tuberías. Cuanto más elevadas sean las temperaturas en el captador y en la tubería de retorno, y cuanto mayor sea la relación entre la masa de los absorbedores y la masa de las tuberías, mayor será la tempera tura del fluido de trabajo al llegar al acumulador. Análogamente, cuanto más caliente esté la parte inferior del acumulador, menor será el intercambio térmico con el fluido proveniente de los captadores. En el peor de los casos, el retorno al campo de captadores podría alcanzar

212

7.1 Requisitos principales de los componentes y materiales en el circuito primario

temperaturas de 120 ºC o más si la temperatura de entrada del fluido de traba jo en el interca m biador fuera de 150 ºC. A fin de evitar las cargas térmicas antes mencionadas, se aconseja reanudar la operación de la bomba del circuito primario, tras un período de estancamiento, sólo después de que se hayan enfriado los captadores a una temperatura notablemente inferior a la temperatura de estancamiento, por ejemplo a 140 ºC. Para lograr esto, se debe emplear un sistema de control apropiado. Sin embargo, en los sistemas de bajo flujo («low-flow») provistos de un acumulador de inercia, los captadores pueden llegar a calentarse hasta unos 120 ºC-140 ºC incluso durante la operación normal. Estas temperaturas se presentan sobre todo en la tubería de impulsión, mientras que en la de retorno se dan, por lo general, temperaturas por debajo de los 100 ºC. No obstante, en la fase inicial del estancamiento puede producirse incluso un aumento de temperaturas en la tubería de retorno, a medida que el fluido caliente de los captadores circula hacia el vaso de expansión. La figura 7.2 representa las temperaturas de trabajo durante la operación normal de un sistema de bajo flujo cuando el acumulador de inercia casi ha alcanzado la temperatura máxima admisible. Las temperaturas indicadas corresponden a un sistema de bajo flujo con un caudal específico de unos 15 l/(m 2 · h} (véase el apartado 7.3.2). 120º(

Acumulador de inercia 92 º(

Sistema de bajo flujo

Hacia el consumo

92º(

85º(

Pl

P2

Figura 7.2 Temperaturas de trabajo durante la operación normal en un día caluroso con alta irradiancia, con el acumulador de inercia casi a la temperatura máxima admisible.

7.1.3 Presiones de trabajo en el circuito primario A fin de reducir los costes de una instalación solar se suelen utilizar componentes con una presión nominal de hasta 10 bar. La mayor parte de los captadores se diseñan para esa misma presión, aunque a veces se hacen sólo para 6 bar. La presión a la que se halla expuesto cada

213

7. El circuito primario

uno de los componentes varía según la altura relativa en el edificio. En caso de que los captadores estén situados en la cubierta y el acumulador en el sótano, la presión en el lado primario del intercambiador de calor, así como en los componentes y tuberías igualmente situados en la parte inferior del edificio, será superior a la de los captadores. La presión estática aumenta 1 bar por cada 10 metros de diferencia de cotas. Bajo cualquier condición de funcionamiento, hay que asegurarse de que la presión en el punto más alto de la instalación sea superior a la atmosférica para evitar la entrada de aire en el circuito. Además, la presión debe ser lo suficientemente elevada a fin de evitar la evaporización al trabajar bajo las temperaturas máximas mencionadas en el apartado 7.1.2. Por eso, en una instalación de bajo flujo («low flow») que opere a un valor límite de temperaturas de 130 ºCa 140 ºC, es necesario que se elija una presión algo más elevada. Por otro lado, es importante que en el estado de estancamiento se permita la evaporación a temperaturas no demasiado altas para limitar la carga térmica a que están sometidos los componentes y el fluido de trabajo. Esto significa que la presión no debe elegirse con un valor más alto de lo necesario. Por lo tanto, en estado frío del campo de captadores se suele escoger una presión superior a la atmosférica, entre casi cero y tres bares. La elección depende también de la altura del edificio, o sea, de la presión estática entre los captadores y los componentes en el punto inferior de la instalación {véase el apartado 7.7.3). La figura 7.3 representa un esquema de las presiones de trabajo de una instalación típica en la que el acumulador está colocado en el sótano trabajando bajo una presión máxima de 6 bar, o bien 10 bar. En esta representación teórica no se ha tenido en cuenta la influencia de estas presiones en el dimensionado del vaso de expansión {para mayores detalles, consultar el apartado 7.7).

214

7.1 Requisitos principales de los componentes y materiales en el circuito primario

Presión en el punto superior de la instalación

2,5 bar

2,5 bar

Presión equivalente del volumen de reserva

+ 0,2 bar =

2,7 bar

+ 0,2 bar =

2,7 bar

Altura X: 27 m

63 m

X

Presión estática:

2,7 bar

6,3 bar

Presión máxima (estado caliente): Om

5,4 bar

9,0 bar

Válvula de 6 bar Válvua de 10 bar Todas presiones indicadas superiores a la atmosférica

Figura 7.3 Presiones de trabajo en un circuito primario en función de las diferentes alturas del edificio.

7.1.4 Proceso de vaporización en el circuito primario La mayoría de los captadores modernos con absorbedores de recubrimiento selectivo alcanzan temperaturas de estancamiento muy elevadas. Para evitar la evaporación del fluido de trabajo (normalmente agua o una mezcla de agua-glicol) en los captadores a estas temperaturas, sería necesario trabajar a una presión de 10 bar o incluso superior. Sin embargo, los componentes situados en el nivel inferior de la instalación estarían expuestos a una presión aún superior, en vista de que se añade la presión estática. Desde el punto de vista económico, un diseño de este tipo sería poco factible. Teóricamente se podrían utilizar otros fluidos de trabajo con una temperatura de ebullición superior; no obstante, esta posibilidad tiene sus límites, tanto técnicos, como ecológicos y económicos {véase el apartado 7.4).

215

7. El circuito primario

En el caso de un sistema con una fracción solar muy alta o un sistema combinado de agua caliente sanitaria y apoyo a la calefacción, suelen tener lugar largos períodos frecuentes de estancamiento durante el verano. La temperatura a la que empieza la evaporación depende del fluido de trabajo empleado y de la presión de trabajo en la instalación. Por ejemplo, una mezcla de agua-glicol (60/40) empieza a evaporarse a 160 ºC y a una presión de 6 bar (presión absoluta). Esta mezcla permanece líquida a temperaturas inferiores o a presiones superiores. No obstante, con una temperatura de ebullición alta, todo el volumen del líquido en los captadores quedará expuesto a una carga térmica durante períodos prolongados, lo que puede acarrear un envejecimiento acelerado de la mezcla anticongelante, o sea, una alteración química de la misma. Por otro lado, si el medio se vaporiza a una temperatura menor, por ejemplo, 140 ºC, sólo una cantidad relativamente pequeña de moléculas en fase de vapor quedará expuesta a la carga térmica . De este modo, se logrará obtener una reducción significativa de esta última para el volumen de líquido restante en el circuito primario, debido a que sólo una pequeña parte del medio se halla expuesto a las temperaturas de estancamiento en los captadores. Por este motivo, en caso de instalaciones con largos períodos de estancamiento, se recomienda trabajar a una presión relativamente baja en el campo de captadores, lo que permite una vaporización a temperaturas moderadas. Para asegurar el funcionamiento de la instalación aun a temperaturas elevadas, podría establecerse una presión de trabajo en el estado caliente del campo de captadores de unos 3 bar (absoluto), con la cual se produce una vaporización a aproximadamente 140 ºC. Como una alternativa a lo anterior, se puede elegir un fluido que resista temperaturas su peri ores. Uno de los inconvenientes que pueden surgir a causa de las vaporizaciones frecuentes consiste en que algunos componentes de la mezcla anticongelante, por ejemplo aditivos anticorrosivos u otras sustancias no solubles, pueden depositarse permanentemente en las tuberías del absorbedor al evaporarse el fluido . En caso de que se conserve limpio el circuito primario, por ejemplo, por medio de filtros adecuados o también mediante el empleo de fluidos de trabajo que se evaporan sin dejar residuos, se logrará mantener este problema bajo control. Para el proceso de evaporación del fluido en el campo de captadores, desempeñan un papel importante el diseño interno del captador y el conexionado de los captadores entre sí. Si la tubería de entrada del captador se encuentra en el borde inferior, el volumen en ebullición, aún en estado líquido, podrá ser desplazado hacia la tubería de retorno, a menos que por medio de una válvula de retención se impida este proceso. Entonces, sólo se producirá la cantidad de vapor equivalente al contenido líquido del captador. Un proceso semejante podría consi-

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7.1 Requisitos principales de los componentes y materiales en el circuito primario

derarse como un buen comportamiento de evaporación del captador. Ejemplo: a una temperatura de 150 ' C y a una presión de 3 bar se obtendrá sólo, con un volumen de agua de 5 cm 3, un volumen de vapor de aproximadamente 3 litros, lo que corresponde al volumen típico de un captador de 2 m 2 . Con respecto al comportamiento de evaporación, un volumen pequeño del captador es favorable. Si tanto la entrada como la salida del captador están colocadas en el borde superior, como puede ser el caso con los tubos de vacío de flujo directo montados verticalmente, entonces no podrá desplazarse el líquido. En estas circunstancias, además de una irradiancia elevada durante un largo período de estancamiento, se evaporará completamente todo el líquido dentro del captador. Lo mismo se aplicará a los captadores que están conectados entre sí de tal modo que se evite el desplazamiento del fluido en ebullición de un captador a causa del fluido contenido en los captadores contiguos. En estas circunstancias, el fluido abandonará el captador en forma de vapor saturado durante un largo período hasta que se haya evaporado totalmente. De este modo, se genera un suministro prolongado de grandes cantidades de vapor que se propagan hacia las tuberías de impulsión y retorno, dentro de las cuales liberan su calor y se condensan. En función del coeficiente de pérdidas térmicas de las tuberías, así como de la longitud de las mismas, la zona de vapor puede extenderse en ciertos casos hasta el intercambiador de calor y el grupo de bombeo. En especial corren este riesgo las instalaciones con tramos de tubería cortos. Sobre todo al diseñar sistemas de gran tamaño con una fracción solar elevada, se recomienda elegir los captadores y el conexionado de tal manera que tengan un buen comportamiento de evaporación . Además, debería evitarse que en caso de estancamiento vuelvan a circular grandes cantidades del líquido no vaporizado provenientes de las tuberías de impulsión en el captador. En otras palabras, hay que tratar de impedir que las tuberías se coloquen por encima de los captadores, puesto que de esta manera resultaría un proceso indeseable de transferencia de calor por convección hacia las tuberías del circuito primario al evaporarse este líquido en los captadores. Este problema puede afectar especialmente a los campos de captadores montados sobre fachadas o en cubiertas inclinadas. En caso de estancamiento, descenderán grandes cantidades de líquido desde las tuberías de conexión hasta penetrar en los captadores ubicados en una posición inferior, en donde se evaporarán nuevamente. Propagación de vapor en las tuberías del circuito primario Para el dimensionado de un vaso de expansión es importante estimar el volumen por el cual se propaga el vapor en las tuberías. Además, hay que calcular hasta dónde se extiende la zona de vapor en dirección

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7. El circuito primario

al vaso de expansión y, por lo tanto, determinar si se necesita un vaso tampón con fines de protección del vaso de expansión. En la práctica, es posible que el fluido de trabajo en el circuito primario se evapore por completo. Sin embargo, la norma europea ENV 12977-1 /22/ sólo exige que se tenga en cuenta el 10 % del volumen de los captadores como volumen de vapor que puede propagar en las tuberías. A continuación se demostrará que el vapor podrá extenderse por todo el circuito primario. En la propagación de vapor en las tuberías desempeñan un papel deci sivo la forma de las conexiones del captador, la duración del período de estancamiento, la calidad del aislamiento térmico de las tuberías, la posición de las tuberías en relación con el captador y, también, el tamaño del vaso de expansión. Se excluye el caso de un vaso de expansión demasiado pequeño, debido a que, en este caso, la válvula de seguridad suele abrirse a consecuencia de la vaporización intensa, lo que lleva a la conclusión de que ya no se trata de un sistema de seguridad intrínseca. Como se mencionó anteriormente, la forma de las conexiones del captador son de gran importancia para el comportamiento de la evaporación en un captador, así como para la cantidad de vapor resultante. En un captador con un buen comportamiento en cuanto a la evaporación se expulsa una gran parte de su contenido líquido al comenzar éste a vaporizarse. Por consiguiente, el captador tendrá sólo que vaporizar el resto del contenido líquido para vaciarse por completo. La propagación de vapor en las tuberías quedará entonces restringida al área contigua al captador. En caso de captadores con un mal comportamiento evaporativo deberá vaporizarse por completo todo el contenido líquido del captador. Según la presión del sistema, un litro del fluido de trabajo puede generar centenares de litros de vapor. La transferencia de energía por convección hacia las tuberías sólo queda paralizada después de haberse vaporizado todo el contenido líquido. Campos de captadores con un mal comportamiento evaporativo se encuentran con frecuencia tanto en el mercado alemán como en toda Europa. A fin de calcular la longitud del tramo que alcanza la propagación del vapor en las tuberías, se ha de definir en primer lugar la potencia térmica de evaporación de un captador. Para captadores con un mal comportamiento evaporativo ésta se puede calcular aproximadamente de la siguiente manera /40, 41 /: • Potencia térmica de evaporación de un captador plano : 120 W /m 2 . • Potencia térmica de evaporación de un captador de tubos de vacío : 140W/m 2 .

218

7.1 Requisitos principale s de los componentes y materiales en el circuito primario

• Pérdidas térmicas de una tubería con un buen aislamiento térmico a temperatura del vapor saturado: 20 W/m-30 W/m . Ejemplo: Para una instalación de 10 m 2 de área de captación (área de apertura) y un mal comportamiento evaporativo, se obtiene una potencia térmica de evaporación equivalente a 1200 W en caso de captadores planos, o a 1400 W para los tubos de vacío. De este modo se obtiene un tramo de tu be rías por el cua 1 se propaga el va por de 1200 W /(25 W /m) = 48 m y de 1400 W /(25 W /m) = 56 m, respectiva mente.

Según los resultados, para una instalación con una distancia entre el campo de captadores y el acumulador de 10 m (longitud simple), aproximadamente la mitad del área de captadores habría sido suficiente para que la evaporación fuese del 100 %. En estos casos se recomienda la protección del vaso de expansión mediante un vaso tampón. Es importante señalar que el diseño del circuito primario solar ha de incorporar los elementos adecuados para evitar que se produzca la evaporación de grandes cantidades de líquido y que, por lo tanto, el vapor alcance zonas del circuito que no está previsto que tengan que resistir las temperaturas del vapor (bombas, vaso de expansión, válvulas, etc.). Los sistemas que obvian estos problemas y que presentan un comportamiento con una seguridad intrínseca en cuanto a la producción de vapor son los sistemas de vaciado automático («drain-back»). En estos sistemas (ver el apartado 3.8), cuando el acumulador alcanza la temperatura máxima, el control ordena parar la bomba de circulación/llenado por la que el aire del depósito de «drain-back» sube al captador, con lo que éste se vacía de líquido y, por tanto, no queda líquido que convertí rse en va por. 7.1.5 Comportamiento respecto a la ebullición de los sistemas por termosifón En los sistemas por termosifón, el calentamiento del acumulador se lleva a cabo por medio de circulación del fluido de trabajo por convección natural. La circulación dentro del circuito primario se origina siempre que la temperatura del captador sea algo superior a la del acumulador. Por tal motivo, es imposible una limitación de la temperatura de este último. En caso de que no haya consumo, la temperatura en el acumulador puede alcanzar un valor próximo al de la temperatura de estancamiento del captador.

Durante períodos de radiación solar elevada y de bajo consumo puede formarse vapor en el sistema. En caso de sistemas indirectos, la evaporación puede producirse en el circuito primario o bien en el circuito de consumo, es decir, en el acumulador de A.C.S., en función de las presiones respectivas.

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7. El circuito primario

Si la presión del circuito primario, por ejemplo de 1 bar superior a la atmosférica, es inferior a la presión del acumulador, por ejemplo 5 bar (como suele ser el caso si está conectado a la red de agua sanitaria), el fluido de trabajo en el captador empezará a evaporarse a una temperatura inferior a la del agua en el acumulador. Como el captador está localizado por debajo del acumulador, el vapor no podrá producir un desplazamiento del líquido en el mismo, como cuando éste se halla por encima de aquél. Si la radiación solar sigue siendo elevada y el acumulador no se enfría al no consumirse agua caliente, entonces el fluido de trabajo continuará evaporándose en el captador. Resulta difícil recoger en un vaso de expansión los grandes volúmenes de vapor producidos dentro del captador. Éstos suelen salir del circuito a través de la válvula de seguridad . Por eso es razonable colocar esta válvula de seguridad en la parte más elevada del circuito, o sea, por encima del borde superior del captador. La colocación y el diseño de la válvula de seguridad deben satisfacer las normas de seguridad para la protección del personal de trabajo contra posibles riesgos de accidentes por quemaduras. Al principio, la pérdida de fluido debido a la vaporización se compensa con el fluido en el vaso de expansión que se debe rellenar durante su mantenimiento normal. A causa de usar vasos de expansión de tamaño demasiado pequeño y de largos intervalos de mantenimiento, en combinación con largos períodos de estancamiento frecuentes, se pueden originar grandes pérdidas del fluido de trabajo y, por consiguiente, una insuficiencia de líquido en el circuito, especialmente tras haberse enfriado el sistema . En consecuencia , podría introducirse aire, lo que llevaría a una paralización del circuito primario, es decir, el sistema se volvería inservible. Si el circuito primario opera a una presión superior a la del acumulador, el agua de éste podrá empezar a hervir sin que se evapore fluido en el captador. De esta manera , el calor solar se transformará en vapor en el acumulador cuando no se consuma agua caliente. Según la posición de la válvula de seguridad del acumulador, se podrá escapar agua o vapor. Igualmente, es necesario en este aspecto que se tengan en cuenta las normas de seguridad para la protección del personal de traba jo. A menudo, los sistemas por termosifón están provistos de captadores de un rendimiento bajo o medio, con un aislamiento térmico delgado del acumulador y de las tuberías. En estos sistemas sencillos no se alcanzan temperaturas tan elevadas en el estado de estancamiento, ni se producen evaporaciones o problemas relacionados con éstas. Por lo tanto, para los sistemas por termosifón no se suelen recomendar los absorbedores selectivos de alto rendimiento con temperaturas de estancamiento elevadas, especialmente si se esperan períodos frecuentes de bajo consumo y alta radiación solar.

220

7.2 Conexionado de captadores

7.2 Conexionado de captadores En el conexionado de los captadores se pretende alcanzar un flujo uniforme a través de cada uno de ellos. De esta manera, cada captador podría operar con el mayor rendimiento, evitando que se formen zonas con un flujo muy débil o deficiente y, por lo tanto, no refrigeradas, es decir, áreas inútiles. 7.2.1 Instalaciones pequeñas de conexionado en paralelo En el caso de conexionado en paralelo, se ha de alcanzar un caudal idéntico en cada uno de los captadores. Además, hay que observar las indicaciones sobre el caudal mínimo del captador establecidas por el fabricante para evitar las zonas sin circulación y asegurar un flujo en régimen turbulento. Según el diseño interno del captador, el caudal específico de diseño suele situarse entre 40 y 80 litros por hora y metro cuadrado de superficie de captación . Si todos los captadores están conectados en paralelo, el caudal total de diseño es igual al producto del caudal específico del campo solar y la superficie total de captadores. Ejemplo: Un campo de cuatro captadores de 2,5 m 2 cada uno, conectados en paralelo. Superficie tata 1 de captadores :

10m 2

Caudal específico mínimo de un captador (según el fabricante):

40 l/(m 2 ·h)

Caudal mínimo por cada captador :

2,5 X 40 = 100 l/h

Caudal total del campo solar:

4x 100 = 400 l/h

Caudal específico del campo solar:

40 l/(m 2 ·h)

En el conexionado en paralelo, la pérdida de carga del campo de captadores es bastante pequeña, puesto que la pérdida de carga de los captadores individuales y la pérdida de carga de las tube rías de conexión correspondientes no se suman. Por otro lado, se observa un caudal total relativamente alto. Esta característica se parece a la de una red de calefacción, lo que permite que se usen las bombas de calefacción normales, en tanto que sean adecuadas para las cargas térmicas en las instalaciones sola res. Conexionado en paralelo con retorno invertido En el diseño de las instalaciones de calefacción se suele utilizar con frecuencia la configuración de las tuberías con retorno invertido para lograr un flujo uniforme a través de los radiadores . Si se aplicara el retorno invertido a un campo de captadores de igual manera a como se haría con los radiadores en un sistema de calefac-

221

7. El circuito primario

ción, todos los captadores se conectarían en paralelo, obteniendo para cada captador la misma longitud total con los mismos diámetros de las tuberías de impulsión y retorno. Teóricamente se pueden lograr pérdidas de carga idénticas a lo largo de cada tramo en paralelo. Sin embargo, de esta manera no se tienen en cuenta las resistencias secundarias debido, por ejemplo, a la variación de la rugosidad de la superficie interior de las tuberías y a las obstrucciones indeseadas del flujo, como pueden ser las causadas por gotas de soldadura en las uniones en el interior de los tubos, los tubos desbarbados de diferente manera o insuficientemente, las diferencias de la pérdida de carga en accesorios como codos, uniones en T, etc. Si la pérdida de carga de los captadores empleados es baja, estas resistencias secundarias pueden tener una influencia relativa importante, y así impedir que se produzcan caudales idénticos a través de cada tramo en paralelo.

Figura 7.4 Ejemplo de un conexionado en paralelo con retorno invertido.

En la figura 7.4 se ilustra un ejemplo teórico de un campo pequeño compuesto de tres captadores conectados en paralelo con retorno invertido. A pesar de que se necesiten tramos de tuberías relativamente largos (y por consiguiente costosos), se podrá alcanzar un flujo uniforme sólo si: • Cada uno de los captadores posee la misma pérdida de carga, la cual ha de ser mayor que la de las tuberías de conexión y distribución en un factor de por lo menos 3. • Las resistencias secundarias se pueden despreciar con respecto a la pérdida de carga de los captadores y de la tubería. En cuanto a los sistemas por termosifón con varios captadores, es necesario que se use un conexionado en paralelo debido a la baja fuerza «ascensional en estos sistemas. Los captadores utilizados suelen tener

222

7.2 Conexionado de captadores

un diseño interior con tuberías de diámetros relativamente grandes y, por consiguiente, muy bajas pérdidas de carga. Además, sólo con el retorno invertido es posible alcanzar un flujo uniforme. Alternativas al retorno invertido en un conexionado en paralelo Para campos de captadores pequeños existen captadores que tengan la tubería de distribución incorporada. Éstos pueden conectarse entre sí en paralelo sin que se necesiten tuberías de distribución externas (figura 7.5) y, de este modo, se logran reducir los costes totales relativos a la tubería.

No obstante, este conexionado sólo es apropiado para un número limitado de aproximadamente cinco captadores, formando de esta manera una denominada batería de captadores. Grandes campos de captadores pueden componerse de varias de estas baterías, que a su vez se conectan en un conexionado mixto en serie y/o paralelo. Los captadores tienen un diseño interno en forma de serpentín, o bien, en forma de parrilla. El absorbedor en forma de serpentín consiste en un solo tubo, mientras que el absorbedor en forma de parrilla posee varios tubos finos en paralelo. El diámetro de estos últimos oscila, por lo general, entre 5 mm y 10 mm.

Figura 7.5 Captadores con absorbedores en forma de serpentín y tubería de distribución interna, conectados en paralelo.

Figura 7.6 Captadores, con absorbedores en forma de parrilla y tubería de distribución interna, conectados en paralelo.

223

7. El circuito primario

Como en el caso del conexionado con retorno invertido, se intenta alcanzar un flujo uniforme a través de cada captador. Por lo tanto, se han de cumplir los mismos requisitos a fin de lograr el flujo uniforme, es decir, la pérdida de carga de una aleta del absorbedor, o sea, de cada tubo fino del absorbedor conectado en paralelo, ha de ser por lo menos tres veces mayor que la pérdida de carga de la tubería entera de distribución interna, y las resistencias secundarias deben ser pequeñas. Con el propósito de lograr un incremento del número de captadores que se pueden conectar directamente en paralelo, algunos fabricantes han aumentado las dimensiones de los tubos de distribución internos. Con esta medida, se obtiene una reducción de la pérdida de carga total de las tuberías, contribuyendo a que se cumplan los requisitos necesarios para un flujo uniforme en todos los captadores conectados en paralelo en forma de batería. El caudal de diseño para una batería de captadores conectados en paralelo se calcula de la misma manera a como se explicó anteriormente. 7.2.2 Conexionado en serie en instalaciones pequeñas En caso de un conexionado en serie, el fluido de trabajo circula de manera consecutiva a través de los captadores. Esto significa que, automáticamente, por cada uno de los captadores circula el mismo caudal, que equivale al caudal total del campo solar.

Este tipo de conexionado permite la operación de un campo de captadores con caudales específicos bastante reducidos, lo que es deseable en las instalaciones de bajo flujo («low flow») . El caudal específico de un campo de captadores se define como el cociente entre el caudal total que circula por el campo solar y la superficie total de captación . En un captador individual se produce un caudal específico más alto (caudal total dividido por la superficie de un captador), asegurando de esta manera el flujo en régimen turbulento. Ejemplo: Un campo de cuatro captadores de 2,5 m 2 cada uno, conectados en serie.

Superficie total de captadores :

10 m 2

Caudal específico mínimo de un captador (según el fabricante):

40 l/(m 2 ·h)

Caudal mínimo por cada captador:

2,5 X 40 = 100 l/h

Caudal total del campo solar:

100 l/h

Caudal específico del campo solar (caudal total/ superficie de captadores): En el ejemplo anterior se puede ver que el caudal específico del campo solar, 10 l/(m 2 ·h), es muy reducido, incluso para sistemas de bajo flujo (véase el apartado 7.3 .2) . Este valor llevaría a diferencias de tempera-

224

7.2 Conexionado de captadores

turas muy grandes, que podrían repercutir de manera negativa en el rendimiento total del campo solar. A fin de lograr un mejor rendimiento, se recomienda un ligero aumento de dicho caudal específico, por ejemplo, hasta unos 15 l/(m 2 ·h), lo que llevaría a un caudal total de 150 l/h. Sin embargo, con un incremento del caudal se produce un aumento de las pérdidas de carga, lo que supone que el conexionado en serie tiene sus límites. Dicho límite depende en gran parte del diseño interior de los captadores empleados. Las conexiones en serie se caracterizan por tener un caudal total relativamente bajo, así como una pérdida de carga elevada, debido a que las pérdidas de carga de los captadores individuales conectados en serie se suman. De este modo, la característica de un campo conectado en serie es completamente diferente de la de una red de calefacción normal. Es bastante difícil encontrar bombas adecuadas con un buen rendimiento bajo estas condiciones de operación, o sea, una altura de la bomba grande y un caudal bajo. Existen proyectos de investigación que se dedican al desarrollo de bombas que cumplen estos requisitos. Con el propósito de mantener las pérdidas de carga en un marco de límites aceptable, se suelen utilizar captadores con absorbedores en forma de parrilla para su conexionado en serie. Conexionado en serie de captadores de gran tamaño En la figura 7.7 se indica el conexionado en serie típico de los captadores planos de gran tamaño con absorbedores en forma de parrilla, que se fabrican con una superficie de unos 6 m 2 a unos 12 m 2 . En cada captador, los tubos finos del absorbedor están conectados en paralelo. Para una distribución uniforme del flujo, la pérdida de carga en un tubo fino del absorbedor ha de ser, por lo menos, tres veces mayor que la pérdida de carga de las tuberías de distribución internas. El caudal total circula a través de cada uno de los captadores y, por consiguiente, las pérdidas de carga se suman.

Figura 7. 7 Captadores de gran tamaño conectados en serie.

Conexionado en serie de los captadores pequeños A fin de que se cumpla la condición necesaria para un flujo uniforme, que consiste en que la relación entre la pérdida de carga de los tubos finos del absorbedor y la de las tuberías de distribución ha de ser mayor que 3:1, también en los captadores pequeños se fabrican modelos en los que el fluido circula en paralelo por sólo una mitad del absorbedor

225

7. El circuito primario

en forma de parrilla que está conectada en serie con la otra mitad. De este modo, se produce un aumento de la pérdida de carga en cada captador en el mismo orden de magnitud que en los captadores de gran tamaño. En la figura 7.8 se ilustra este principio. En este diseño, todas las conexiones se hallan en el borde superior, lo que tiene ventajas en caso de la integración arquitectónica del campo de captadores.

Figura 7.8 Conexionado en serie de los absorbedores pequeños.

7.2.3 Conexionado de campos solares grandes con retorno invertido

En el pasado, la configuración de tuberías con retorno invertido se solía seleccionar también para los campos de captadores de instalaciones grandes. La decisión se tomó con el objeto de evitar un conexionado en serie, que suele causar un aumento de las temperaturas de trabajo en caso de que no se incremente el caudal que circula por cada captador. De esta manera se produce, a su vez, un aumento de la pérdida de carga . Debido al diseño interno, ya fuera un absorbedor de acero de chapa embutida o uno de aluminio tipo «rollbond», estos captadores no eran adecuados para los caudales altos como lo son los captadores actuales. Dado que el rendimiento de los antiguos captadores a temperaturas de trabajo elevadas aún no era tan alto como el de los modelos actuales, este objetivo parecía convincente. En la figura 7.9 se representa un esquema de un campo de captadores compuesto de tres filas de tres captadores cada una. Es evidente que con el retorno invertido se necesitan tramos de tuberías relativamente largos. A pesar de ello, pocas veces se alcanza un flujo uniforme por medio de este conexionado (véase además el apartado 7.2.1). Esto es especialmente cierto al usar los tubos de vacío del tipo tubo de calor («heatpipe»), con una pérdida de carga muy reducida en el intercambiador de calor interno del captador. En la práctica, casi nunca se ha podido lograr este objetivo y se observó que en algunos captadores había un flujo muy alto mientras que otros estaban siempre en estado de estancamiento, o próximos al mismo.

226

J

7.2 Conexionado de captadores

Figura

7.9

Conexionado de un campo solar grande con retorno invertido.

7.2.4 Alternativas al retorno invertido para el conexionado de campos solares grandes Los captadores planos modernos son más apropiados para un conexionado en serie debido a las mejoras de rendimiento al trabajar a temperaturas y caudales elevados. De esta manera, pueden establecerse condiciones de bajo flujo que pueden ser de gran utilidad en ciertas aplicaciones (véase el apartado 7.3.2). En el apartado 7.2.2 ya se mencionó el hecho de que el número de captadores que pueden conectarse en serie es limitado. Por este motivo, en caso de instalaciones de gran tamaño se elige una combinación de conexiones mixtas, en serie y en paralelo, tal como muestra la figura 7.10.

~ ....._~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~

....

Figura 7.10 Campo de captadores compuesto de tres subcampos conectados en paralelo, cada uno con tres captadores conectados en serie.

Si en cada uno de los subcampos se realiza un conexionado en serie de los captadores, se conseguirá aumentar suficientemente la pérdida de carga a fin de evitar el retorno invertido en los subcampos conectados en paralelo. Este objetivo se puede lograr con un dimensionado adecuado

227

7. El circuito primario

de los subcampos y de las tuberías de distribución, de tal manera que la relación entre la pérdida de carga de una fila de captadores conectados en serie y la pérdida de carga de las tuberías de distribución sea de 3:1 o superior. En la figura 7.11 se demuestra que por medio de este conexionado es posible alcanzar un flujo uniforme sin configuración de las tuberías de distribución con retorno invertido.

-- -

16 14 12 10 8 6 4

..

2

,

o +-"--.........,.--.....,_............--............--.....,_--.............,--L-r-...... .,. . .__.,............,__L-r-......., 1

-

2

3

Caudal medido

4

5

6

-

7

8

9

10

11

12

13 14 15 Número de fila

Caudal promedio

Figura 7.11 Representación de los caudales medidos en cada una de las filas de una instalación de 600 m 2 . Cada fila consta de varios captadores conectados en serie; las filas están conectadas en paralelo y operaron con válvulas de regulación abiertas completamente (Fuente: Proyecto Hydra, Universidad de Dortmund/TCA, Alemania).

Es interesante señalar que la construcción de campos solares de gran tamaño mediante la conexión en paralelo de captadores solares grandes conectados entre sí en serie y trabajando a bajo flujo presenta un importante potencial de reducción de costes en tuberías, tanto por la reducción del diámetro asociado al diseño con bajo flujo, como por la reducción de su longitud como consecuencia de trabajar con colectores de tamaño unitario grande. Cabe señalar que la pérdida de carga del campo completo ha de mantenerse en un valor aceptable, porque de otra manera se dificulta la selección de una bomba adecuada (véase el apartado 7.8.3). Por este motivo se recomienda evitar que en un subcampo se conecten en serie demasiados captadores. Al calcular la pérdida de carga en las tuberías de distribución hay que tener en cuenta los cambios de caudal a lo largo de los tramos. En la tabla 7.1 se indican los valores recomendados de las pérdidas de carga máximas para un campo de captadores en función del tamaño.

228

7.3 Modos de flujo en el circuito primario

Tamaño del campo (m 2 )

Pérdida de carga (bar)

50

0,3

200

0,6

500

0,8

1000

1,0

Tabla 7.1 Límites superiores de pérdida de carga recomendados en función del tamaño de un campo de captadores. Si se instalan válvulas de corte en cada subcampo para facilitar un cierre por separado de cada uno de ellos con fines de mantenimiento o de reparación, es indispensable prever también una válvula de seguridad en cada subcampo (véase el apartado 7.11.2).

7.3 Modos de flujo en el circuito primario 7.3.1 Flujo normal El modo de flujo normal, denominado también alto flujo («highflow»), denota que el caudal específico del campo solar asciende a 40 litros, y en ocasiones hasta 80 litros, por hora y por m 2 de la superficie del campo de captadores. Este modo se ha de preferir siempre que los captadores estén conectados en paralelo, para alcanzar en cada captador el caudal mínimo de diseño indicado por el fabricante. Así se logrará impedir la aparición de las zonas con poca o nula evacuación del calor solar generado. Con un flujo normal se obtiene un caudal total relativamente elevado a través del campo de captadores, lo que implica el uso de tuberías de diámetro relativamente grande entre el campo de captadores y el intercambiador de calor. En caso de que se trabaje con una irradiancia elevada, de 1000W/m 2 , y suponiendo un rendimiento instantáneo del captador de un 60%, se obtendrá una potencia térmica de 600W/m 2 . Si se consideran un flujo normal de 40 l/(m 2 ·h) y un fluido de trabajo con un calor específico de 3,7 kJ/(kg·K), como en el caso de una mezcla 60/40 de agua-glicol, se logrará un incremento de temperaturas de aproximadamente 15 K: i1T =Potencia térmica/(caudal x calor específico) 2

iH = _ _ _6_0_0_Jl~(_s_·m~)_ __ 4

14,6K

0 kg · 3700(J / (kg · K)) 2 3600 s · m

De este modo, el sistema podrá funcionar ofreciendo un mayor rendimiento, gracias a que la temperatura media del fluido de trabajo (semisuma de las temperaturas de entrada y salida del captador) sólo se halla unos 7 K por encima de la temperatura de entrada.

229

7. El circuito primario

7.3.2 Bajo flujo El modo de bajo flujo («low-flow») se caracteriza por disponer de un caudal específico del campo de captadores de entre 12 l/(m 2 ·h) y 20 l/(m 2 ·h). Para obtener este flujo es necesario que los captadores se conecten en serie, por lo menos parcialmente, de tal manera que por cada uno de ellos pueda circular el caudal mínimo necesario. Si se compara este modo con el ejemplo del flujo normal expuesto anteriormente, el incremento de temperaturas que se obtendrá entre la salida y la entrada del captador, bajo las mismas condiciones pero con un caudal total reducido, será de unos 30 Ka 50 K: ~ T =Potencia térmica/(caudal x calor específico)

2

~T

=

6 00 J/ ( s . m ) = 29 2 48 6 K 12 ... 2 0k~ · 3700(J / (kg · K)) ' ... ' 3600 s · m

Debido a un aumento de las pérdidas térmicas provocado por las temperaturas medias superiores en el campo de captadores, se produciría una disminución del rendimiento, si no se consigue que se reduzcan las temperaturas de alimentación al campo de colectores como consecuencia de una mayor estratificación térmica en el acumulador solar. Para compensar esa posible desventaja es necesario que en el intercambiador de calor se alcance un nivel de temperaturas de trabajo lo más bajo posible. Esto supone una adaptación esmerada de todos los componentes, por ejemplo, intercambiadores de calor de grandes dimensiones, así como acumuladores bien estratificados, para llegar de esa forma a temperaturas lo más bajas posible a la entrada del lado secundario del interca m biador. Este modo de bajo flujo se emplea en instalaciones de A.C.S. provistas de acumuladores de carga estratificada o de dispositivos estratificadores, así como en sistemas de apoyo a la calefacción, con el objetivo de generar temperaturas elevadas de manera rápida . Por medio de estas temperaturas, suficientemente altas para los consumos conectados, se logra que el sistema convencional pueda permanecer apagado durante más tiempo y no tenga que conectarse a menudo para aumentar la temperatura del agua precalentada únicamente en pocos grados hasta alcanzar la temperatura de consigna . Con este modo de operación se consigue mejorar el rendimiento medio anual del sistema de calefacción convencional y, por consiguiente, la fracción solar. A fin de mantener el sistema bajo buenas condiciones de operación, es imprescindible una buena adaptación tanto del control del sistema convencional como del control solar.

230

7.3 Modos de flujo en el circuito primario

En sistemas grandes con un intercambiador externo entre el circuito primario solar y la acumulación, un caudal reducido -tanto en el circuito primario, como en el de acumulación- lleva implícito el aumento de la estratificación térmica del acumulador y, por consiguiente, una reducción de la temperatura de entrada al campo solar, lo cual permite que, a pesar del aumento del salto térmico asociado al bajo flujo, se pueda llegar a trabajar con temperaturas medias de los captadores menores y con rendimientos mayores que en el caso de operar con caudales elevados. El atractivo de este modo de operación, utilizado en las instalaciones de gran tamaño, estriba en la consiguiente reducción de costes en la red de tuberías, incluyendo bombas e intercambiadores. Especialmente, esto es así en casos en que el campo solar entero esté dividido en varios subcampos conectados en paralelo, para los cuales se hace innecesario el uso del retorno invertido. Gracias al ahorro en los costes, se logrará compensar la ligera disminución del rendimiento de la instalación. Este diseño de bajo flujo es adecuado para la mayoría de las instalaciones de gran tamaño, si bien requiere un diseño más cuidadoso.

7.3.3 Flujo ajustado Con el modo de flujo ajustado («matched-flow»), el caudal total que circula por el campo de captadores se adapta a la irradiancia solar mediante una bomba de caudal variable. El objetivo que se persigue es producir en el acumulador temperaturas elevadas, incluso en caso de poca irradiancia, ya que de esta manera se podrá limitar el empleo del sistema convencional y maximizar la estratificación en el acumulador, aumentando así el rendimiento solar. El efecto de esta estrategia de control depende en gran parte del sistema en particular. En caso de instalaciones de una fracción solar reducida, por ejemplo las de precalentamiento de A.C.S., es poca la ventaja con respecto al rendimiento, sin embargo, el sistema de control resulta ser más complejo que en los casos de instalaciones de bajo flujo o de flujo normal. Por este motivo, antes de tomar una decisión para cada diseño en cuanto a la instalación de un sistema de flujo ajustado, se han de tener en cuenta exactamente los efectos de esta estrategia de control, por ejemplo, mediante programas de simulación.

231

7. El circuito primario

7.4 Fluidos de trabajo 7.4.1 Requisitos Los fluidos de trabajo en el circuito primario deben cumplir los siguientes requisitos:

• Deben ser resistentes a la temperatura de trabajo, incluso hasta el nivel máximo correspondiente al estado de estancamiento del captador. • Deben ofrecer protección contra las heladas en caso de que las instalaciones operen durante todo el año y se pronostiquen períodos muy fríos en el clima local. • Deben garantizar protección anticorrosiva en caso de que en el circuito primario se utilicen materiales mixtos o propensos a la corrosión . • No deben exigir requisitos especiales en cuanto a los materiales del circuito primario, de manera que se puedan obtener componentes normales y de bajo coste. • Deben poseer un calor específico elevado, así como una buena conductividad térmica , por medio de la cual se permita realizar de manera eficaz el transporte y la transferencia del calor generado en el captador. • No deben ser tóxicos ni contaminar el medio ambiente. • Deben tener una baja viscosidad, con el fin de mantener en un valor reducido las pérdidas de carga y, por tanto, la potencia de la bomba de circulación . • Deben tener bajos costes y una buena disponibilidad. El fluido que cumple casi todos estos requisitos de manera excelente es el agua . El único inconveniente es su vulnerabilidad frente a las heladas. Por lo tanto, el uso de agua en el circuito primario solar se limita a las instalaciones ubicadas en zonas sin riesgo de aquéllas. Otro concepto que logra aprovecharse de las buenas propiedades del agua pura como fluido de trabajo son las instalaciones del tipo «drainback», en las cuales no hay riesgo de congelación debido al hecho de que el fluido sólo circula por los captadores y las tuberías exteriores cuando éstos han alcanzado temperaturas de trabajo suficientemente elevadas. En los demás casos se suelen utilizar mezclas de agua con aditivos anticongelantes, como se expone a continuación. Entre las propiedades señaladas en la lista anterior, una mezcla de agua y glicol resultó ser una buena solución para un fluido de trabajo. Desde hace varias décadas se emplean estas mezclas en los circuitos de refrigeración de automóviles, y han demostrado en este campo su valor de protección anticorrosiva y anticongelante. Por este motivo se

232

7.4 Fluidos de trabajo

eligieron para su utilización en las instalaciones solares que trabajan bajo cargas térmicas no muy elevadas. Sólo en cuanto a los inhibidores de corrosión tuvieron que ser adaptadas. Mientras que antes se usaba casi sin excepción el etilen-glicol, hoy en día se prefiere emplear cada vez más el propilen-glicol en los sistemas de A.C.S., debido a que no representa un riesgo para la salud humana . En ciertos casos aislados, en el pasado se utilizaban los mismos aceites térmicos que se suelen emplear en las centrales solares térmicas de alta temperatura. Sin embargo, estos aceites ya no se usan más para este propósito en las de baja temperatura , en vista de las grandes exigencias con respecto a la bomba, vaso de expansión , válvulas, juntas, etc. Cuando se empleen las mezclas de agua-glicol como fluido de trabajo, es importante que se tengan en cuenta las siguientes consideraciones : • Con respecto a la protección contra heladas, bastará utilizar en casi todas las zonas climáticas un contenido de glicol del 40 % o inferior a éste. Una mezcla con un 40 % de glicol garantiza una protección anticongelante de hasta 24 ºC bajo cero. Si se opera con temperaturas aún inferiores, se producirá una pasta viscosa de hielo, pero sin provocar que la tubería reviente . Se debe evitar un contenido de glicol que sobrepase el 50 %, puesto que esto conlleva un aumento de la viscosidad y una disminución del calor específico del fluido. • Por otra parte, el glicol presenta la propiedad de penetrar mejor en ranuras finas o capilares en comparación con el agua . Debido a ello, en el montaje es más difícil asegurar la estanquidad del circuito que en el caso del agua. Por eso es imprescindible que se eviten incluso las fugas más pequeñas en el circuito primario. • El glicol no es compatible con el zinc y, además, puede afectar a otros materiales, por ejemplo, en las juntas. Por consiguiente, sólo los materiales que estén certificados para ser utilizados con mezclas de agua-glicol son apropiados para el circuito primario. Sin embargo, el comportamiento de la mayor parte de los materiales empleados no es de naturaleza crítica . • Existe un límite superior con respecto a la resistencia a temperaturas elevadas establecido en aproximadamente 150 ºC-160 ºC. No obstante, hay declaraciones divergentes por parte de los fabricantes. Por otro lado, se han desarrollado recientemente productos capaces de ser permanentemente resistentes a temperaturas incluso superiores. Para llevar a cabo una operación se['Jra de las instalaciones es aconsejable emplear como fluido de trabajo únicamente mezclas de agua-glicol que estén explícitamente certificad-is para las instalaciones solares.

233

7. El circuito primario

En caso de que se opere una instalación solar con circulación de agua pura, como es el caso de los sistemas con vaciado automático («drainback»), en un lugar propenso a las heladas, se exige un drenaje completo para proteger el circuito contra daños causados por congelación . Por otro lado, en lugares con clima templado en donde las temperaturas inferiores a cero son más bien un hecho excepcional, la protección contra posibles heladas se efectúa, en ocasiones, por medio de la circulación del fluido en el circuito primario a temperaturas ambientes por debajo de un determinado valor (por ejemplo< 3 ºC). Esto se recomienda sólo si el consumo de energía resultante es muy bajo con respecto al aporte anual de energía solar. No obstante, esta estrategia tiene su peligro, puesto que en caso de que ocurra un mal funciona miento o una interrupción pasajera del suministro de energía eléctrica, podrían ocasionarse graves daños en el campo de captadores debido a las heladas. Requisitos adicionales para instalaciones con carga térmica elevada La optimización de los captadores, en particular del recubrimiento del absorbedor, ha llevado a un aumento considerable de las temperaturas de estancamiento, tanto en el caso de los captadores planos como en el de los tubos de vacío. Los fluidos de trabajo están expuestos a un aumento de la carga térmica. Además, un aumento de la superficie del campo de captadores (por ejemplo, en el caso de las instalaciones de apoyo a la calefacción) conduce a períodos más prolongados y más frecuentes de estancamiento.

Los tubos de vacío de flujo directo y los captadores planos que alcanzan temperaturas máximas de 220 ºC y superiores, requieren fluidos de trabajo adecuados para estas condiciones. Los fluidos inapropiados se descomponen químicamente a esas altas temperaturas, o sea, se desintegran en sustancias insolubles que pueden obstruir el circuito primario. Además, este tipo de descomposición puede generar ácidos corrosivos. 7.4.2 Evaluación a largo plazo de los fluidos de trabajo Las quince diferentes instalaciones evaluadas en este estudio utilizaban mezclas de agua y glicol con aditivos anticorrosivos. Casi todos los productos lograron ser identificados. En algunos casos se hizo uso de una combinación de diferentes productos que dificultó el análisis del contenido de glicol y de la integridad de la función relativa a la protección anticorrosiva . Los fluidos de trabajo permanecieron en uso durante un período de tiempo de 6 a 18 años. Según los operarios de las instalaciones, nunca se llevó a cabo un cambio completo, pero es razonable suponer que los rellenados tuvieron lugar durante el mantenimiento. En ciertos casos, el contenido muy bajo de glicol sugiere que se utilizó agua pura para efectuar el rellenado hasta que en algunos

234

7.4 Fluidos de trabajo

casos el fluido resultó insuficiente para la protección contra heladas. La tabla 7.2 ofrece una visión general de los resultados obtenidos en la eva 1uación.

. .11· . ... ·. . 1111 -

.

.

anticorrosiva :... · 11· .. -. Protección 11· Metales Estado ·. - . .. .

probados

A

16

BASF Glytermin 100

SS

-3o ·c

Al 99,S ST 37-2

No existe Reducida

B

15

HOECHST Antifrogen L

3S

-9 ·c

Cu St 37-2

Existente Aún existente

c

16

Se deseonoce

-22·c

Cu ST 37-2

Existente

D

17

BASFGlytermin P44

-l8°C

Cu ST 37-2

Existente

16

Se deseono ce

-14ºC

Al 99,S Cu

No existente Aún existente Reducida,

ST 37-2

daños corrosivos

-40 °C

Cu ST-2

Existente Existente

Cu ST 37-2

Existente Existente

G/H

K

42

8

Se deseonoce

6

BASFGlytermin P44

17

-6ºC

9

BASFGlytermin P44

36

-l6°C

Existente Existente

-30ºC

Cu ST 37-2

No existente Existente

S2

-32 ·c

Cu ST 37-2

Existente Aún existente

BASF Glytermin 100

80

inferior a -so·c

Al99,S ST 37-2

Existente Reducida

BASF Glytermin GP42

60

Cu ST 37-2

Existente Reducida,

16

Se deseonoce

M

13

BASF Glytermin P44

p

13

Q

16

-so

·e

daños corrosivos

' Rellenados frecuentes debido a fugas en el absorbedor

R

16

BASFGlytermin 100

y

18

HOECHST Antifrogen Mezcla de LyN

p

7

Schilling Chemie

70

47

inferior a -SO ºC

Al 99,S ST 37-2

No existente Reducida

-32°C

Cu ST 37-2

Existente Existente

·c

Al 99,S Cu ST 37-2

Existente Reducida Existente

-2s

Tabla 7.2 Resultados de las pruebas de fluido de trabajo.

La evaluación efectuada para determinar la integridad de la protección anticorrosiva se llevó a cabo sobre la base de medidas electroquímicas, así como de los criterios formulados en el trabajo de

235

7. El circuito primario

investigación «lnhibidores para fluidos de trabajo en las instalaciones solares» /37 /. En más o menos un 50 % de los casos, la propiedad anticorrosiva seguía estando intacta. En cambio, en los demás casos se notó una reducción significativa de la eficiencia de esta propiedad. Tres pruebas (C, L, p) mostraron reacciones agresivas contra el cobre, no obstante, con respecto a otros materiales se pudo comprobar su buena protección anticorrosiva. Esto es relativamente de poca importancia, ya que el cobre, en especial, no es propenso a los efectos de la corrosión, incluso en presencia de los fluidos de trabajo que contienen oxígeno. Los casos C y L estaban provistos de tuberías de cobre, estando completamente intactas a pesar de la falta de protección anticorrosiva. En otros tres casos, como A, Fy R, se pudo observar una reducción de la protección anticorrosiva con respecto al aluminio; en uno de los casos, el de la instalación F, la protección incluso desapareció completamente. La falta de protección anticorrosiva presentaba un nivel crítico en las instalaciones con absorbedores del tipo «rollbond», debido a que éstos estaban hechos de aluminio, el cual es bastante sensible a los efectos corrosivos en presencia de oxígeno. En cinco pruebas (A, F, P, Q R) se notó una disminución de las propiedades anticorrosivas con respecto al acero, otro caso de crucial importancia parecido al del aluminio. Por ende, las pruebas A, F y R presentaron una ausencia total de la protección anticorrosiva, ya fuera con respecto al aluminio, como con respecto al acero. Tanto la instalación F, en la cual se utilizaron tubos de calor («heatpipe») con condensador de aluminio e intercambiador de calor de acero, como la instalación Q, con un captador plano provisto de un absorbedor de acero, presentaron grandes daños corrosivos. En este último caso, la consistencia de la prueba del fluido resultó ser mucho mejor de lo que era característico para la mayor parte de su vida útil, ya que las grandes fugas exigían rellenados frecuentes. La disminución o la falta total de la protección anticorrosiva no conlleva inmediatamente daños corrosivos debido a que el circuito primario es un sistema cerrado. Un factor decisivo en este contexto constituye la entrada de oxígeno o de aire en el circuito. Esto puede llegar a suceder si no se detectan ni se reparan fugas a tiempo, si se utiliza a menudo agua rica en oxígeno para rellenar el circuito o si la purga de aire es incompleta. Por esta razón, cuando se dan estas circunstancias pueden tener lugar procesos corrosivos capaces de producir daños inmensos, en especia 1, en los a bsorbedores de paredes finas. Es importante tomar medidas preventivas como, por ejemplo, llevar a cabo un control relativo a la protección anticorrosiva y a la purga de aire, en especial si el fluido de trabajo entra en contacto con el alumi-

236

7.4 Fluidos de trabajo

nio o el acero. Si ocurre una disminución de presión en el circuito primario o se han de llevar a cabo rellenados frecuentes, es obligatorio comprobar la estanquidad del sistema completo, es decir, revisar la presencia de fugas, etc., incluyendo las uniones de las tuberías por debajo del aislamiento térmico. En caso de presión inferior a la atmosférica , puede entrar aire a través de estas fugas, lo que favorece el proceso corrosivo. Además de las propiedades relativas a la corrosión , se analizaron otras como la densidad , el valor pH y la reserva alcalina de cada prueba de fluido . Con un valor pH inferior a 5 puede haber corrosión, incluso en ausencia de oxígeno. Los aditivos anticorrosivos, por lo general, han sido creados para fines de protección contra la corrosión basada en oxígeno y no la basada en ácido. La reserva alcalina es una medida para la capacidad de neutralización del fluido de trabajo para impedir la acidificación del glicol, común durante el envejecimiento. En los casos analizados, todos los valores pH se ubicaron por encima de 7,4, lo que equivale a una probabilidad reducida de que se presente la corrosión debido a la acidificación. Los valores obtenidos con respecto a la reserva alcalina, ubicados entre 3 y 8, resultaron ser satisfactorios, salvo en el caso de la instalación 1, en donde un valor de sólo 1,4 señaló el peligro de acidificación que podría surgir a consecuencia de ello. 7.4.3 Aplicación de los fluidos de trabajo Se recomienda elegir el fluido de trabajo según sus características térmicas y químicas para cumplir los requisitos con respecto a los materiales del circuito primario, así como de las cargas térmicas de la instalación.

Antes de la puesta en marcha, el circuito primario ha de limpiarse (se recomienda por lo menos durante diez minutos) para disminuir o impedir la interacción entre el fluido de trabajo y posibles residuos del montaje (virutas, decapante, etc.) en las tuberías a altas temperaturas. Por eso, vale la pena incluir esta información en las instrucciones de limpieza y llenado (figura 7.34). Aparte de instalaciones con requisitos especiales, la presión final en un campo de captadores a temperaturas elevadas, pero sin que aún tenga lugar el proceso de vaporización , no debería sobrepasar los tres bares (sobre la presión atmosférica) . Bajo el efecto de presiones de esta magnitud, la vaporización del fluido empieza a tener lugar a temperaturas relativamente bajas, de 130 ºCa 150 ºC, en función del con tenido de glicol. La carga térmica continúa siendo limitada, puesto que sólo una pequeña fracción (la fase de vapor) del fluido se halla expuesta a temperaturas muy altas. Cabe destacar que el fluido de trabajo debe evaporarse sin dejar residuos que no se disuelvan completamente al condensarse .

237

7. El circuito primario

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Glicol 80 %

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3,0

3, 5

4,0 (bar)

Figura 7.12 Temperatura de ebullición de mezclas de agua y glicol (propilen-glicol} en función de la presión (Fuente : Tyforop Chemie GmbH, Alemania).

Al mismo tiempo, la presión de trabajo a una temperatura baja de 15 ºC cerca del vaso de expansión y de la válvula de seguridad, colocados por lo general en el sótano, debería estar alrededor de unos 0,8 bar1,5 bar por encima de la presión estática. Así se logra evitar una presión inferior a la atmosférica en el circuito primario incluso al producirse un enfriamiento de hasta -20 ºC o al liberar pequeñas cantidades de aire a través de los purgadores, para no correr el riesgo de que entre aire en el sistema , El efecto anticorrosivo de los aditivos desaparece gradualmente si no se humedecen constantemente los componentes con el fluido de trabajo, como puede ocurrir en caso de aire acumulado en las zonas altas del circuito durante períodos inoperativos. En especial cuando se use aluminio o acero, es necesario llevar a cabo una purga de aire completa y duradera del sistema . En caso de pérdida de fluido de trabajo a consecuencia de fugas o de vaciado parcial durante el mantenimiento del circuito, no se permiten rellenados con agua pura, puesto que ésta se diluye mermando la protección anticorrosiva y anticongelante. Siempre que se vaya a realizar el rellenado es conveniente aplicar la misma marca de glicol y la misma mezcla que se utilizó al principio. Sólo en casos de que se manifieste una proporción insuficiente de glicol en el fluido de trabajo, se debería usar glicol no diluido de la misma marca en el momento de efectuar el rellenado, Si se utilizara siempre glicol no diluido, ocurriría una disminución del calor específico y un aumento de la viscosidad y, por tanto, de las pérdidas de carga en el circuito primario.

238

7.5 Tuberías del circuito primario

Si se pone en duda la calidad del fluido de trabajo, puede tomarse una prueba y enviarla al fabricante con el fin de verificar la misma. Es conveniente que se mezcle bien la prueba, la cual es preferible sacar de una válvula de vaciado durante el funcionamiento de la bomba de circulación. Se aconseja que el valor del pH y las propiedades anticorrosivas de los fluidos empleados en las instalaciones sometidas a períodos de estancamiento frecuentes sean controlados cada año. Por otro lado, las instalaciones que operan siempre bajo condiciones normales necesitan ser controladas menos frecuentemente.

7.5 Tuberías del circuito primario 7.5.1 Requisitos La elección de los materiales para tuberías y de las técnicas de unión respectivas depende claramente de las temperaturas y presiones de trabajo (véase el apartado 7.1), así como del modo de flujo y del tipo de fluido de trabajo (apartado 7.3).

Los requisitos necesarios para las tuberías del circuito primario son los siguientes: • Resistencia a temperaturas de hasta 150 ºC en cualquier parte del circuito, y hasta un valor máximo igual a la temperatura de estancamiento cerca de los captadores. • Compatibilidad con el fluido de trabajo (normalmente una mezcla de agua-glicol). • Material con un coeficiente de dilatación pequeño y técnicas de montaje fáciles, a fin de compensar las dilataciones térmicas dentro del rango de temperaturas (-20 ºC-150 ºC). • Estabilidad de las uniones de tubos bajo condiciones térmicas y cargas mecánicas debido a la dilatación térmica (no se recomienda la soldadura blanda) . A una diferencia de temperaturas de 100 K, un metro de tubo de cobre se alarga 1,7 mm independiente del diámetro, o sea, que resulta un alargamiento relativo de un 0,17 %. Por eso, la dilatación térmica desempeña un papel importante, en vista de que la diferencia de temperaturas en el circuito primario puede alcanzar un nivel de hasta 200 K.

239

7. El circuito primario

7.5.2 Evaluación de los resultados a largo plazo de las tuberías del circuito primario Corrosión interior de las tuberías Para la realización de este estudio se extrajeron pequeñas secciones de los tubos, las cuales fueron comprobadas con respecto a la corrosión interna, a los sedimentos del fluido de trabajo y a la erosión. Las pruebas que se recogieron en ocho instalaciones tenían entre 13 y 16 años de servicio. En los tres primeros casos analizados se tomaron trozos de tubo de cada una de las tres partes siguientes:

• Tubería de impulsión del captador (parte caliente). • Tubería de retorno al captador (parte fría). • Parte inferior del circuito primario. Los trozos de tubo extraídos, tanto del lado de impulsión, como del de retorno, fueron elegidos para fines comparativos con respecto a los efectos de las diferentes cargas térmicas en ambas partes del circuito. Se sacó un trozo de la parte inferior para comprobar ahí la existencia de sedimentaciones que podrían llegar a estrechar el diámetro interno del tubo. Los resultados de esta investigación demostraron que los tres trozos de tubo se hallaban en el mismo estado. Por esta razón, sólo se extrajo un trozo de cada una de las otras cinco instalaciones. En ninguno de los ocho casos se notaron efectos corrosivos ni erosivos en las superficies interiores de las tuberías. Lo único que se observó fue una capa delgada y uniforme, aunque ésta no causó ningún efecto en el funcionamiento del sistema. Las tuberías siguieron prestando servicio durante muchos años más de funcionamiento de la instalación.

Figura 7.13 Superficie interior de un tubo de acero al cabo de 14 años de operación en un circuito primario.

En la figura 7.13 se puede observar el estado de una tubería de acero al cabo de 14 años de servicio. La tubería se halla aún en tan buen estado como cuando era nueva. En cuanto a la corrosión interna, no hubo cambios críticos en el estado de los tubos analizados. Incluso en las instalaciones en donde, por

240

7.5 Tuberías del circuito primario

falta de agentes anticorrosivos en el fluido de trabajo, se había produ cido corrosión excesiva, como por ejemplo en el interior del absorbedor, los tubos aún seguían estando intactas. Una explicación de lo anterior podría ser el hecho de que, en la práctica, las tuberías siempre están en contacto con fluido de trabajo y que sólo en muy pocos casos se exponen al oxígeno, incluso si ha entrado aire en el sistema, porque éste asciende al punto superior, por lo general el captador. Sólo pueden ser problemáticos aquellos tubos de acero colocados por encima del absorbedor, o sea, en la parte superior del sistema, ya que en este caso puede haber corrosión . Por ejemplo, si el aire logra entrar en el sistema sin que se realice su purga completa, éste se acumula en estas partes elevadas durante períodos sin operación y desde ahí desplaza al fluido de trabajo que inhibe la corrosión . A consecuencia de esto, el proceso corrosivo podría acelerarse en estas partes. Por ta 1motivo, se recomienda llevar a cabo una purga de aire adecuada a fin de evitar la corrosión, particularmente en los tubos de acero de posición elevada. Corrosión externa de las tuberías Con respecto al exterior, el estado de los tubos de acero examinados era excelente, independientemente de la parte de la tubería a que pertenecían, ya fuera al aire libre o dentro de un edificio. Incluso en casos de humedad dentro del aislamiento térmico de la tubería, la corrosión en forma de óxido era más bien ligera. En ciertos casos, la agresión corrosiva causó leves daños en el aspecto exterior de los tubos; no obstante, esto no habría conducido, en el transcurso de muchos años, a alteraciones en la operación.

En la figura 7.14 se indica el estado de los tubos de acero, aún provistos parcialmente de material de aislamiento. La unión roscada realizada en la unión en T (a la izquierda), que fue sellada con cáñamo, no presentaba indicios de fuga, demostrando que las uniones selladas con cáñamo poseían buenas propiedades de estanquidad .

Figura 7.14 Superficie exterior de tubos de acero de un circuito primario.

241

7. El circuito primario

En el estudio realizado, todos los tubos de cobre, a excepción de uno, se hallaban en excelente estado. La excepción consistía en pruebas de sedimentos de un polvo blanco suelto en la parte superior de la tubería. En el análisis se pudo determinar la composición del polvo, a saber, cal y agentes corrosivos del cobre. La causa de la corrosión, en tal caso, radicaba en la humedad, no obstante, no traía consigo graves consecuencias. El aspecto exterior, generalmente positivo, de todas las tuberías analizadas se malograba hasta cierto punto a causa de un daño corrosivo en una de las boquillas de un acumulador solar, aunque éste no formaba parte del circuito primario. A la boquilla de acero inoxidable se le había atornillado una tapa de acero galvanizado. La corrosión en el punto de contacto entre el zinc y el acero en la parte superior de la tapa fue la causa de la perforación de la pared de la misma (figura 7.16).

Figura 7.15 Daño corrosivo en el punto de contacto de diferentes metales (a la izquierda: tapa de acero galvanizado; a la derecha: boquilla y pared del acumulador de acero inoxidable}.

Todas las tuberías examinadas estaban en un buen estado al cabo de 16 años de servicio. La ligera corrosión en la superficie de los tubos de cobre y acero no era problemática y no se hizo necesario su reemplazamiento. En principio, las tuberías del circuito primario no son propensas a daños corrosivos en tanto que se evite la corrosión por contacto. 7.5.3 Instalación de las tuberías en un circuito primario Para el circuito primario se recomiendan tubos de cobre, de acero negro y de acero inoxidable, así como tubos flexibles ondulados de acero inoxidable. No obstante, hay que insistir en lo importante que es evitar cualquier tipo de corrosión por contacto.

No se aconseja el empleo de materiales sintéticos, a menos que éstos estén explícitamente diseñados para la tubería de instalaciones solares.

242

7.5 Tuberías del circuito primario

Tampoco se deben usar tubos de acero galvanizado debido a la resistencia insuficiente a elevadas temperaturas, así como a interacciones químicas entre el zinc y el glicol. Para llevar a cabo la unión de los tubos de cobre, se recomienda tanto el uso de accesorios de soldadura por capilaridad como de accesorios de compresión, o de unión a presión con juntas especiales, aptas para soportar las temperaturas elevadas que pueden aparecer en la instalación. Lo mismo se aplica en gran medida a ciertas juntas tóricas especiales, uniones roscadas planas o cónicas, así como a algunos otros materiales y técnicas de conexión adicionales. Todos los materiales deben ser resistentes a las temperaturas elevadas, a las presiones máximas y a la exposición al glicol. Se deben respetar las recomendaciones del fabricante con respecto a los campos y a los límites de su aplicación. En caso de que se empleen tubos de cobre para las tuberías del circuito primario, es bastante común el uso de soldadura blanda. No obstante, según /47 /el empleo de la soldadura blanda se limita a las instalaciones en las cuales la temperatura máxima de servicio no supera los 120 ºC. Por lo tanto, en las instalaciones solares térmicas se recomienda sólo la soldadura fuerte. En especial, esto es válido para las tuberías que están cerca del captador expuestas a temperaturas muy altas y, además, a cargas mecánicas elevadas debido a la dilatación térmica. Aunque se tomen medidas para compensar las fuerzas causadas por la dilatación térmica, esta compensación no siempre se logra por completo. Una solución segura para el circuito primario es la soldadura fuerte. Si se trata de instalaciones con captadores de tubos de vacío, nunca se recomienda el uso de soldadura blanda. Las uniones roscadas pueden sellarse con cáñamo. Ya que el glicol posee la propiedad de penetrar en intersticios muy estrechos, no se recomienda el uso de cinta de teflón en circuitos primarios con mezclas de agua y glicol. Cabe observar que el montaje de tuberías en las instalaciones ha de realizarse de manera profesional según las normas vigentes. Para reducir la transmisión de vibraciones y ruido se recomiendan abrazaderas y soportes isofónicos, aptos para soportar las temperaturas elevadas en el circuito primario.

- - -'.

243

7. El circuito primario

7.6 Aislamiento térmico de las tuberías del circuito primario 7.6.1 Requisitos A fin de transportar el calor generado en los captadores con el mayor rendimiento posible hacia los acumuladores, es indispensable que se lleve a cabo esmeradamente un aislamiento térmico ininterrumpido en todo el circuito primario. En España, el espesor del aislamiento se elige de acuerdo al Reglamento de Instalaciones Térmicas en la Edificación {RITE). El espesor mínimo depende del diámetro de la tubería, de la localización de la misma (en el interior o en el exterior) y del rango de temperaturas de trabajo del fluido. Los valores indicados en la tabla 7.3 se refieren a un material aislante de conductividad térmica A. 20 ·c = 0,040 W /(m·K), y son válidos para tuberías situadas en el interior de un edificio. Para tuberías situadas en el exterior, hay que aumentar el espesor en 10 mm. Diámetro exterior

mm D ,; 35

Temperatura del fluido

40 ·ca 6S ·c

66 ·ca

100 ·c 101 ·ca150 ·c 151 ·ca 200 ·c

20

20

30

40

35 < D ,; 60

20

30

40

40

60 < D ,; 90

30

30

40

90 < D ,; 140

30

40

140 < D

30

40

so so

so so 60

Tabla 7.3 Espesor mínimo (en mm) de aislamiento de tuberías situadas en el interior de edificios según el RITE / 15/

Existen diferencias en cuanto a la elección de los materiales de aislamiento, tanto para las tuberías en el interior, como para las del exterior. En ambos casos se pueden aplicar los siguientes requisitos : • El aislamiento debe ser capaz de resistir las temperaturas más elevadas, por ejemplo, las que se producen en las cercanías del captador (unos 170 ºC),y las que se presentan a cierta distancia del mismo (como mínimo 120 ºC). • Los materiales de aislamiento térmico deben poseer una baja conductividad térmica . Los materiales de poro abierto están permitidos siempre y cuando no se den casos de humectación . Si la tubería se coloca en el exterior, hay que añadir otros requisitos: • El aislamiento debe tolerar los efectos del medio ambiente, como contaminantes en el aire o la radiación ultravioleta, así como ofrecer protección contra daños producidos por animales, por ejemplo,

244

7.6 Aislamiento térmico de las tuberías del circuito primario

el picoteo de aves, ratones, etc. De lo contrario, es necesaria la aplicación de recubrimientos protectores. • Para evitar la humectación, se recomienda el empleo de materiales de aislamiento de poro cerrado. Un recubrimiento exterior no basta para evitar que la humedad sea absorbida. Hay que tener en cuenta que un aislamiento que haya absorbido previamente cierta humedad pierde la mayor parte de su efectividad. 7.6.2 Estudio a largo plazo de los aislamientos térmicos Las pruebas se tomaron de instalaciones que ya habían prestado un servicio de entre 13y16 años. Materiales de aislamiento térmico En las instalaciones analizadas se utilizó en gran parte lana mineral como aislamiento térmico (figuras 7.18 a 7.20). Debido a que los recubrimientos externos no podían impedir la entrada de humedad, la mayor parte de los materiales de poro abierto quedaron mojados y, como consecuencia, perdieron sus propiedades aislantes, por lo menos hasta el momento en que la humedad se evaporó debido al calentamiento a través de los tubos. Sin embargo, en casos de aislamientos de poro cerrado se pudieron evitar estos efectos perjudiciales para el sistema (figura 7.21).

En los casos que no se realizó la protección externa contra los efectos ambientales, una gran parte del aislamiento se desintegró en pequeñas partículas, generalmente debido a la radiación ultravioleta en conjunción con temperaturas elevadas. En muchas ocasiones, los daños excesivos se debieron a aves y ratones, como por ejemplo en los casos en que las primeras picotearon el material para construir sus nidos (figura 7.16).

Figura 7.16 Daño en el aislamiento térmico sin recubrimiento causado por aves.

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7. El circuito primario

Utilizando una simple envoltura con cinta adhesiva aplicada sobre el aislamiento no se obtuvo un resultado duradero, puesto que las cintas perdían su efecto o se hacían frágiles con el tiempo. En cambio, en relación con los tubos internos, son de utilidad los aislamientos de poro abierto, como la lana mineral. Si no hay problemas de mordeduras de ratones, se pueden emplear materiales de espuma aislante como solución alternativa . Recubrimiento del aislamiento térmico En total, los recubrimientos del aislamiento de las tuberías analizados fueron cinco de acero galvanizado y uno de aluminio. En tres pruebas aleatorias, las superficies exteriores de los recubrimientos de acero galvanizado presentaban un buen estado y las capas de zinc seguían intactas. Sin embargo, en uno de los casos se había producido una fuerte corrosión del lado exterior del recubrimiento, aunque todavía no se había perforado (figura 7.17). El recubrimiento presentaba muy mal aspecto, y los daños por la excesiva corrosión sólo eran cuestión de tiempo.

Figura 7.17 Campo de captadores con fuerte corrosión del lado exterior del recubrimiento de acero galvanizado.

En otra instalación solar ya habían surgido daños corrosivos. Estos daños se observaron en partes del recubrimiento, especialmente alrededor de las aberturas para válvulas, boquillas, etc., pues precisamente ahí se notó una aceleración del proceso corrosivo a causa del deterioro de la capa de zi ne.

246

7.6 Aislamiento térmico de las tuberías del circuito primario

En muchas partes del recubrimiento se pudieron observar perforaciones a causa de la corrosión. En cuatro de las cinco instalaciones analizadas el recubrimiento sufrió daños corrosivos más fuertes en el interior que en el exterior (figura 7.19). En todos estos casos la humedad fue la causa principal de la corrosión, siendo los puntos de su penetración las uniones longitudinales o transversales, u otras juntas del recubrimiento selladas de modo incorrecto, como por ejemplo en las bifurcaciones de tuberías, purgadores de aire, boquillas, etc. (figura 7.18).

Figura 7.18 Daño corrosivo en un recubrimiento de acero galvanizado.

Figura 7.19 Daño corrosivo en el lado interior de un recubrimiento de acero galvanizado.

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7. El circuito primario

En sólo una de las instalaciones estudiadas se notó la ausencia de óxido en el interior del recubrimiento metálico. En este único caso, todas las uniones estaban selladas con cinta de aluminio, y el solapado de la chapa en las juntas cumplía las normas alemanas con respecto a aislamiento térmico en los casos en que se produce vapor /38/. La protección del recubrimiento contra la entrada de humedad, aunque no era completa, sí era eficaz, como se pudo observar en el estado intacto de la superficie interior. Por otro lado, el exterior había padecido daños severos ocasionados por el debilitamiento de la capa de zinc, pero aún seguía en buenas condiciones. En general se observó que los recubrimientos galvanizados quedaban mucho menos afectados por la corrosión si se les dotaba de protección, como por ejemplo, por debajo de la parte posterior de los captadores montados en cubierta plana. En la figura 7.20 se documenta esto partiendo de dos ejemplos: en el recubrimiento de las tuberías de retorno que se habían colocado en una posición protegida por detrás de los captadores se observó sólo una ligera corrosión (figura 7.20, arriba), mientras que las tuberías de impulsión no estaban protegidas y, por tanto, mostraron efectos corrosivos mayores (figura 7.20, abajo).

Figura 7.20 Recubrimiento de acero galvanizado de una posición protegida {arriba} con sólo ligera corrosión, y de una posición no protegida {abajo} con efectos corrosivos mayores.

Otra tendencia característica consistía en que los recubrimientos de las tuberías calientes de impulsión eran aparentemente más propensos a la corrosión que los de las tuberías de retorno. Los resultados de estos

248

7.6 Aislami ento térmico de las tuberías del circuito primario

estudios quedaron confirmados por las experiencias obtenidas de otras instalaciones, aunque sólo se analizaron cinco detalladamente. Además de los daños registrados en los recubrimientos del aislamiento de las tuberías, hubo síntomas frecuentes de corrosión en otros componentes galvanizados, en especial en las abrazaderas, los puntales de la estructura de soporte, las chapas embutidas de captadores, tornillos, etc. Aunque la funcionalidad de estos componentes no había disminuido gracias a sus paredes relativamente gruesas, exceptuando las conexiones con tornillos no desmontables, se detectaron varias manchas de óxido que afectaban negativamente al aspecto visual de las instalaciones. Es por ello necesario que, cuando se vayan a exponer los componentes galvanizados al aire libre, se aplique una capa de zinc de alta calidad que no se deteriore en el momento de, por ejemplo, perforar orificios adicionales o cortar los propios componentes. La superficie exterior del recubrimiento de aluminio analizada en detalle mostraba un aspecto debilitado, aunque parecía conservar su integridad (figura 7.21). Tenía un aspecto idéntico a la corrosión normal del aluminio bajo condiciones atmosféricas. Todas las instalaciones antiguas que estaban provistas de recubrimiento de aluminio y que fueron examinadas en el marco de otros trabajos de investigación presentaban un estado semejante, no advirtiéndose daños corrosivos en ellas.

Figura 7.21 Recubrimiento de alum inio de un m at erial aislante de poro cerrado.

A pesar de no haberse aplicado un tratamiento especial para sellar las uniones de las chapas del recubrimiento de aluminio, las superficies interiores tenían un brillo metálico, salvo en las partes donde el aluminio se había cortado, por ejemplo, en bifurcaciones. En estas zonas se observaron indicios blancos de productos corrosivos. En una instalación se empleó espuma aislante de poro cerrado envuelta adicionalmente y de manera cuidadosa en una hoja de aluminio.

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7. El circuito primario

En algunas instalaciones, las tuberías en el interior poseían recubrimientos innecesarios y costosos de acero galvanizado o incluso aluminio. Sin embargo, para este propósito es suficiente el uso de espumas aislantes sin recubrimiento, siempre y cuando resistan las temperaturas máximas. Si se utiliza lana mineral para las tuberías localizadas en el interior, es recomendable que se aplique un recubrimiento de plástico. Al ser examinados todos los recubrimientos del aislamiento utilizado en el interior, tanto de metal como de plástico, se observó que éstos estaban en un estado impecable. Observaciones sobre las chapas de acero galvanizado y otros componentes galvanizados Las capas de zinc suelen reducir su espesor con el tiempo y por eso no aseguran u na protección perdura ble contra los efectos corrosivos. El espesor y la calidad de la capa de zinc, así como la concentración de los contaminantes de aire que fijan el nivel de la reducción de la misma, determinan la durabilidad de un componente.

En el proceso de fabricación de las chapas de acero galvanizado, una lámina pasa a través del zinc fundido en un proceso continuo. Por lo general, el espesor de la capa de zinc oscila entre 15 µm y 25 µm. Debido al precio asequible y a su elaboración fácil in situ, es muy común la aplicación de este tipo de chapa. Si los componentes se galvanizan mediante el procedimiento de inmersión de toda la pieza, entonces el espesor de la capa de zinc oscilará entre 80 µm y 150 µm. Esta tecnología es, sin embargo, la más cara y no se utiliza para las chapas, pues habría que cortarlas antes de proceder a la galvanización, pues el espesor de la capa no permitiría el corte en obra. El nivel de reducción anual del espesor de una capa de zinc puede ubicarse entre 1µmy14 µm, en función del grado de contaminación del aire /39/ (véase la tabla 7.4). Reducción anual del espesor (~lm/año) Atmósfera Campo

Acero desprotegido

Capa de zinc

4-60

1,3-2,S

30-70

1,9-5,2

Zona industrial

40-160

6,4-13,8

Océanos

60 - 170

2,2-2,2

Ciudad

Tabla 7.4 Velocidad de la corrosión en acero y capas de zinc.

Esto significa que es posible que las capas de zinc de un espesor de 15 µm a 25 µm se deterioren sólo al cabo de algunos años. Luego, después de otros pocos años, puede resultar que se perfore la chapa de acero de un espesor de 0,6 mm a 1 mm. Por este motivo, incluso

250

7.6 Ais lamiento t érmi co de las tuberías del circuito prim ario

bajo condiciones ambientales propicias y en zonas rústicas, no se puede garantizar la durabilidad a largo plazo, como se desea normalmente para las instalaciones solares, o sea, un servicio de por lo menos 25 años. De acuerdo con la Asociación de Galvanización Alemana (Deutsche Verzinkerei e.V., Düsseldorf), no se aconseja emplear las chapas galvanizadas fabricadas en el proceso continuo mencionado anteriormente para aplicaciones al aire libre. En vez de ellas, las chapas fabricadas en un proceso de inmersión por fusión con una aleación de aluminio y zinc (por ejemplo Galvalume, con un 55 % de AIZn , o Galfan, 5 % de Al) podrían ofrecer suficiente durabilidad . Por medio de un revestimiento de plástico se logra una protección adicional. Las chapas de este tipo se han utilizado por mucho tiempo como material en el sector de construcción al aire libre, por ejemplo, en pabellones industriales, y son de preferencia sobre otras. Además de estas chapas de acero galvanizado, es posible usar chapas de aluminio o de acero inoxidable para fines de protección del aislamiento de las tuberías exteriores. En el momento de elegir el material adecuado, es recomendable que se tenga en cuenta el empleo de los componentes estándar. De acuerdo con nuestras investigaciones, las siguientes opciones disponibles eran : • Materiales de plástico, sobre todo para aplicación en el interior. También es posible la aplicación al aire libre si los materiales son resistentes a los efectos de la intemperie, a la radiación ultravioleta y al picoteo de aves. • Acero galvanizado con revestimiento de zinc de 275 g/m 2 (equivalente a una capa unilateral de unos 19 µm) . • Aluminio-99,5. • Aluminio resistente al agua salada. • Acero inoxidable y aluminio-zinc como material especial. 7.6.3 Selección e instalación de los materiales aislantes El aislamiento térmico de las tuberías del circuito primario debe resistir temperaturas de por lo menos 120 ºC durante la operación normal, así como temperaturas máximas de poca duración de unos 150 ºC, en casos de estancamiento o de la reanudación de la operación del sistema tras un período en esa situación.

En cuanto a las tuberías al aire libre, es indispensable que el aislamiento se proteja adicionalmente por medio de un recubrimiento contra los daños causados por animales, contra los efectos de la intemperie y de la radiación ultravioleta . Gracias a esta protección, el material aislante propio no estará expuesto a los rigores del exterior. Como los recubrimientos de los aislamientos de las tuberías en el exterior no ofrecen una protección absoluta contra la entrada de hume-

251

7. El circuito primario

dad, sólo se puede recomendar el uso de los materiales aislantes de poro cerrado. Además, cuando se elige el aislamiento térmico se han de tener en cuenta las temperaturas máximas posibles en el circuito primario, en especial en períodos de estancamiento. Sólo pocas espumas aislantes son resistentes a las temperaturas muy elevadas en el circuito primario. Las que se emplean habitualmente en sistemas de calefacción normal, con temperaturas de trabajo de hasta 90 ºC, no son adecuadas. La durabilidad de los recubrimientos exteriores depende considerablemente de la calidad del material. Las juntas deben solaparse suficientemente y estar ubicadas en el lado opuesto a la parte de la tubería expuesta a mayores rigores climatológicos, debiéndose, además, sellar cu id adosa mente. Con respecto a la resistencia a largo plazo (25 años o más) de los recubrimientos al aire libre, sólo se recomienda el aluminio, y no el acero galvanizado. Los costes superiores del primero en comparación con el segundo son un factor secundario, debido a que el coste de mano de obra supone la mayor parte de los gastos relativos al recubrimiento. En caso de aplicación al aire libre en regiones costeras, se exige que el aluminio sea resistente al agua salada. Por otra parte, sería deseable desarrollar tubos prefabricados completos con aislamiento térmico y recubrimiento, parecidos a los tubos subterrá neos para calefacción de distrito. Esto podría contribuir a una mejora significativa de la rentabilidad, puesto que se podría economizar una gran parte del trabajo intensivo del montaje. En cuanto a las instalaciones pequeñas, ya se han dado los primeros pasos en esta dirección. Recientemente, en el mercado se encuentran disponibles tubos de cobre o de acero inoxidable ondulado aislados y prefabricados, además de cables eléctricos para sensores de temperaturas. Para las tuberías en el interior se recomienda el uso de lana mineral o de resina de mela mina, ya que por lo general la humedad no constituye un problema relevante. Para la protección externa de las tuberías en el interior, basta la aplicación de un recubrimiento delgado de plástico. Sin embargo, también se pueden emplear espumas sin recubrimientos si éstas cumplen los requisitos mínimos relativos a la resistencia térmica . Con el fin de mantener lo suficientemente bajas las pérdidas térmicas del circuito primario, se recomienda la aplicación de un aislamiento con un espesor adecuado. (Para más detalles, véase la tabla 7.3) .

252

7.7 Vasos de expansión

7.7 Vasos de expansión 7.7.1 Función y requisitos La función de un vaso de expansión es compensar los cambios del volumen del fluido de trabajo ocasionados por la dilatación térmica. Sin un vaso de expansión sería imposible evitar el escape del fluido de trabajo en un circuito cerrado a través de la válvula de seguridad cuando el fluido se calienta . Al calentarse en el circuito primario, una parte del fluido entra en el vaso de expansión. Cuando el sistema se enfría, regresa al circuito. De esta manera el vaso de expansión sirve también para mantener la presión en el circuito dentro del rango de presiones admisibles y siempre por encima de la atmosférica, impidiéndose así la introducción de aire en el circuito cuando el sistema vuelve a enfriarse.

La presencia de aire en el circuito primario puede conducir a un mal funcionamiento (e incluso a paradas del sistema), que muchas veces puede pasar inadvertido hasta el próximo control rutinario en caso de que el sistema convencional asuma automáticamente el suministro de agua caliente. Por este motivo, la instalación solar requiere un equipo de seguridad apropiado que garantice la operación bajo todo tipo de circunstancias, inclusive si ocurre un sobrecalentamiento temporal. De acuerdo con las normas europeas EN 12976 y ENV 12977, es obligatoria la protección contra sobrecalentamiento. Según estas normas, «el sistema deberá estar diseñado de tal forma que con altas radiaciones solares prolongadas sin consumo de agua caliente no se produzca ninguna situación en la cual el usuario tenga que realizar alguna acción especial para llevar al sistema a su forma normal de operación». Los sistemas diseñados de esa manera también se denominan de «seguridad intrínseca». La estrategia principal para lograr que un sistema sea de «seguridad intrínseca» es la siguiente: • El diseño de la instalación se lleva a cabo de forma que la válvula de seguridad no tenga que entrar en acción siempre que haya suministro de calor continuo sin consumo de calor. Para garantizar esto, aun en casos de evaporación a gran nivel, o sea cuando el volumen del captador y partes del circuito primario estén llenos de vapor, el vaso de expansión deberá tener un tamaño suficientemente grande. Para su dimensionado no sólo debe tenerse en cuenta la dilatación térmica del fluido de trabajo, sino también el almacenamiento temporal de un volumen del fluido equivalente al volumen máximo de vapor que puede formarse en el sistema (véase el apartado 7.1.4). El vaso de expansión adquiere entonces un tamaño bastante mayor que en los sistemas de calefacción convencional.

253

7. El circuito primario

Como en instalaciones grandes los vasos de expansión pueden resultar muy voluminosos y, por consiguiente, relativamente caros, existen otras estrategias para lograr la «seguridad intrínseca» que se pueden aplicar dentro de ciertas limitaciones, como se expone a continuación: • Se permite que la válvula de seguridad sí responda durante el proceso de evaporación . El vaso de expansión sería mucho más pequeño, pero es necesario que se aseguren los procesos relativos a la evaporación controlada y a la condensación del fluido con ayuda de un recipiente resistente a las temperaturas elevadas, en el cual el fluido de trabajo se acumule. Habiéndose enfriado el campo de captadores, el sistema de control se hace cargo del rellenado automático del fluido de trabajo. Este sistema sólo debería considerarse en instalaciones grandes, en las cuales se excluyen virtualmente el estado de estancamiento y la vaporización {por ejemplo si el sistema tiene una fracción solar baja), porque con cada rellenado de este tipo entra oxígeno en el circuito primario y, además, en la práctica resulta muy difícil asegurar que el sistema de rellenado automático funcione bien durante toda la vida útil de la instalación . De este modo, el sistema de rellenado automático entraría en funcionamiento solamente en casos excepcionales, como por ejemplo cuando se interrumpe el suministro eléctrico. Aparte de eso, el ahorro por el vaso de expansión más pequeño no compensa necesariamente el aumento de los gastos adicionales para el sistema de rellenado automático. Portales motivos, esta opción no suele ofrecer una solución del todo satisfactoria • En zonas sin riesgo de heladas, en las que se puede utilizar agua como fluido de trabajo en el circuito primario, se encuentran a veces instalaciones con una conexión del circuito primario con las tuberías de la red de agua fría a través de una válvula de llenado automático. En caso de que la presión en el circuito primario sea inferior a un valor determinado, debido por ejemplo a escapes de fluido o vapor por la válvula de seguridad en un estado de estancamiento, se rellena el circuito primario automáticamente con agua de la red de agua fría . Sin embargo, hay que tener en cuenta que con cada rellenado entran oxígeno y cal en el circuito primario, de modo que el empleo de este método debería limitarse a instalaciones en las que el estado de estancamiento es un caso excepcional. • Ot ra opción es utilizar un vaso de expansión con un sistema de regulación de presión automática, como se utiliza, por ejemplo, en instalaciones grandes de calefacción convencional. No obstante, estos sistemas aún no están probados en las instalaciones sola res t érmicas y, por consiguiente, no están disponibles como componentes estándar.

·-

254

7.7 Vasos de expansión

Cabe destacar que los sistemas del tipo «drain-back» logran solucionar el requisito de la «seguridad intrínseca» de manera mucho más fácil y sin necesidad de un vaso de expansión u otro despliegue de dispositivos técnicos, puesto que la dilatación térmica está compensada por el aire en el circuito primario, mientras que en caso de estancamiento el fluido de trabajo se acumula en la parte inferior de la instalación y no se halla afectado por las temperaturas elevadas en el campo de captadores . El dimensionado del vaso de expansión debe efectuarse conforme al rango de temperaturas y presiones de trabajo previstas en el circuito primario. Si se utilizan mezclas anticongelantes, los materiales deben ser adecuados para la exposición continua al fluido (normalmente agua-glicol) . Para un funcionamiento correcto, debe ajustarse también la presión inicial en el lado del gas del vaso de expansión de acuerdo con la presión estática por diferencia de cotas entre el punto superior de la instalación y la posición del vaso. Para evitar que entre aire en el circuito, se suele ajustar la presión mínima en el mismo de tal manera que bajo condiciones frías quede un margen por encima de la presión atmosférica de unos 0,5 bar a 1 bar. 7.7.2 Evaluación a largo plazo de los vasos de expansión En el programa de investigación ZIP se analizaron los vasos de expansión del circuito primario de seis instalaciones al cabo de 13 a 16 años de servicio. Los vasos de expansión eran modelos comunes diseñados para la utilización en sistemas de calefacción convencionales, operativos a una temperatura máxima de 120 ºC y provistos de membranas de caucho con una temperatura nominal de 70 ºC. Cinco de los vasos fueron colocados en el interior.

Todas las superficies exteriores de los vasos se hallaban en buen estado. En una sola ocasión , uno de ellos tuvo que ser sustituido al cabo de algunos años porque había sido instalado al aire libre, expuesto a la intemperie . La instalación de los vasos en el exterior es poco frecuente y los que se usan habitualmente, por lo general , no son apropiados para este fin . Para la evaluación de las superficies internas se realizó un corte radial de los vasos y se extrajeron las membranas. En cinco de los seis vasos se observaron indicios de óxido en el lado del gas. Además, se detectó la presencia de vapor de agua difundido a través de la membrana y condensado en la pared interior fría del lado del gas, anteriormente a su deposición en el fondo del vaso. Como el lado del gas se había llenado de aire y no de nitrógeno puro de acuerdo con lo recomendado, los productos de condensación podían provocar una ligera corrosión en presencia del oxígeno. Aunque los vasos de expansión nuevos vienen llenos de nitrógeno, es bastante común su represurización con aire ordinario,

255

7. El circuito primario

porque no se suelen comprar los dispositivos especiales para el rellenado de nitrógeno. Las superficies interiores de los lados del fluido de tres de los vasos no mostraban daños. Por consiguiente, se puede decir que en estos casos los aditivos anticorrosivos de los fluidos de trabajo cumplían su misión. Otros dos vasos presentaban una ligera costra de corrosión y en uno de ellos ya se notaba un grado avanzado de corrosión en la superficie humedecida. El análisis de los fluidos de trabajo mostró que, en dos casos, los aditivos anticorrosivos habían disminuido considerablemente con respecto al acero. La figura 7.22 muestra el interior de un vaso de expansión al cabo de 13 años de servicio. El lado del gas tiene un aspecto casi nuevo y sigue permaneciendo en buen estado, y el del lado correspondiente al fluido de trabajo sólo presenta indicios ligeros de óxido. En la figura 7.23 se indica el estado en que se halla el otro vaso al cabo de 16 años de servicio. En este otro caso hay síntomas ligeros de corrosión en el lado del gas y otros severos en el lado del fluido de trabajo.

Figura 7.22 Aspecto de un vaso de expansión al cabo de 13 años de servicio (a la izquierda: lado del gas; a la derecha: lado del líquido}.

Figura 7.23 Aspecto de un vaso de expansión al cabo de 16 años de servicio (a la izquierda: lado del gas; a la derecha: lado del líquido}.

256

7.7 Vasos de expansión

La operación del sistema no se vio impedida en ningún caso a causa de la corrosión observada en los vasos de expansión. Por eso no habría sido necesaria la realización de sustituciones. En casi todos los vasos analizados se observaron sedimentaciones que consistían en su mayor parte en óxido en el lado del fluido. Estas sustancias provenían de los mismos vasos o del circuito primario y no afectan al buen funcionamiento del sistema. Después de su limpieza, las membranas de elastómero negro, de un espesor de 2 mm a 5 mm, tenían muy buen aspecto. Dos de ellas estaban cubiertas de lodo. Sólo una membrana tenía una superficie más bien rugosa. Las membranas fueron sometidas a un análisis del material que incluía un ensayo de rotura . En la tabla 7.5 se indican los resultados según el tipo de material.

· ··-·: ·· . •• .



.

.

Fabricante, artículo, Volumen nominal

.

.

... . .. ..

16,8

A

16

Se desconoce

EPDM

c

16

Ex-Solar, 25 I

NBR

18,8

382

16

Reflex, 501

SBR

16,2

400

360

M

13

Flexcon Sol, 8 1

SBR

14,6

490

p

13

OTIO Expansomat, 1801

SBR

12,4

280

Q

16

Flexcon Sol, 80 1

SBR-NR/IR

14,7

341

> 10,0

>450

Valor nominal:

.

1)

EPDM: Monómero de etileno-propileno-dieno NBR: Butadieno acrilnitrílico SBR: Stirol-butadieno (resiste hasta 85 ºC) SBR-NR/IR: Mezcla de SBR y poliisopreno natural

Tabla 7.5 Resultados de los ensayos de rotura de las membranas.

La presión de rotura de todas las membranas examinadas seguía siendo muy buena . No obstante, se observó una disminución de la elasticidad, tal como se esperaba, debido al servicio prestado en tan largo plazo. Las membranas estaban en buen estado teniendo en cuenta el período de servicio de 13 a 16 años. Por esta razón no habría sido necesario efectuar reemplazos . Resulta interesante haber comprobado que las membranas expuestas a líquidos de trabajo con un alto contenido de glicol de hasta el 80% continuaban funcionando bien. Queda por investigarse si, y hasta qué grado, el alto contenido de glicol podría afectar al material de la membrana . Los análisis de las paredes internas de los vasos de expansión y de las membranas demostraron que los vasos parecen ser un componente no problemático de las instalaciones solares. No obstante, es necesario

257

7. El circuito primario

tener presente los siguientes factores al aplicar la afirmación anterior a las instalaciones solares de construcción reciente que posiblemente operen a temperaturas más elevadas: • Aunque en el marco del programa ZIP se observó la recurrencia de períodos de estancamiento causados por campos de captadores frecuentemente sobredimensionados, las temperaturas de estancamiento se ubicaban, por lo general, por debajo de 160 ºC, debido al rendimiento instantáneo relativamente bajo de los captadores. • Los acumuladores de agua caliente sanitaria estaban limitados a una temperatura máxima de 70 ºC. Durante la operación normal, el circuito primario, por consiguiente, nunca se calentó por encima de 100 ºC, debido también a que el modo de operación no solía ser de bajo flujo. En las tuberías de retorno donde estaban colocados los vasos de expansión se observaron por lo general temperaturas máximas de 80 ºC. 7.7.3 Dimensionado correcto de los vasos de expansión cerrados A continuación se expondrán algunas recomendaciones relativas a los criterios de «seguridad intrínseca» (véase el apartado 7.7.1). De este modo, quedará establecido que la válvula de seguridad no responde aun cuando el sistema alcance la temperatura de estancamiento más alta posible. De otro modo, habría escape de fluido. El dimensionado del volumen del vaso de expansión se efectúa de la siguiente manera:

§En primer lugar, se calculará el volumen total del fluido de trabajo en el circuito primario de la instalación Vt, el cual se compone de la suma total de los contenidos de los captadores, de las tuberías, del intercambiador de calor y de los accesorios. En la tabla 7.6 se indica el volumen de los tubos de cobre en función del diámetro exterior. Diámetro exterior x espesor de la pared (mm)

Volumen (l/m)

6

8

10

12

15

18

22

28

35

X

X

X

X

X

X

X

X

X

42 X

1

1

1

1

1

1

1

1,5

1,5

1,5

0,013

0,028

0,05

0,079

0,133

0,201

0,314

0,491

0,0804

1,195

Tabla 7.6 Volumen de los tubos de cobre en función del diámetro.

Los símbolos siguientes serán utilizados para mayor comprensión de los cálculos. Todas las presiones son relativas a la atmosférica:

258

Vt

(1)

Volumen total del circuito primario

n

(%}

Coeficiente de dilatación del fluido

(1)

Volumen de dilatación

(1)

Volumen de reserva

J

7.7 Vasos de expansión

Vvap

(1)

Volumen de vapor

vu

(1)

Volumen útil del vaso de expansión Factor de presión

FP

vn

(1)

Volumen nominal del vaso de expansión

p est

(bar)

Presión estática por diferencia de cotas

Pmt

(bar)

Presión mínima en el punto superior de la instalación (sistema en estado frío)

P gas

(bar)

Presión inicial en el lado del gas del vaso de expansión (desconectado del circuito)

pvr

(bar)

Presión equivalente del volumen de reserva

pi nicial

(bar)

Presión inicial en el vaso de expansión (sistema en estado frío)

pfinal

(bar)

Presión final o presión máxima (sistema en estado caliente, con evaporación máxima)

P vs

(bar)

Presión nominal de la válvula de seguridad

/',.Pm

(bar)

Margen de presión entre la presión máxima y la nominal de la válvula de seguridad

Al calentarse el circuito primario el fluido de trabajo se expande. La diferencia entre el volumen líquido en el estado caliente y frío del fluido de trabajo se denomina volumen de dilatación. Los fabricantes de las mezclas anticongelantes suministran tablas y detalles sobre el coeficiente de dilatación, n, en función del porcentaje de la mezcla y de la temperatura . El volumen de dilatación se calcula como sigue:

El coeficiente de dilatación se determina en función de las temperaturas que pueden presentarse en el circuito primario. Como valor medio establecido en todo el circuito primario, es razonable la suposición de una diferencia de temperaturas máxima de 130 K entre el estado frío, por ejemplo a 10 ºC, y la operación cerca de la temperatura de trabajo máxima, igual a 140 ºC. Aunque el coeficiente de dilatación no varía proporcionalmente con la temperatura, es suficiente asumir un comportamiento lineal en este rango de temperaturas. A continuación se indican los coeficientes de dilatación lineal izados para el agua pura y una mezcla agua-glicol (60/40) basado en valores de un fabricante:

259

7. El circuito primario

nlin, agua=

0,00018 / K

nlin, 40 % glicol=

0,000654 / K

En caso de una diferencia de temperaturas esperada de 130 K, el coeficiente de dilatación de una mezcla de agua-glicol (60/40) asciende a: n = 130 K · 0,000654/K = O, 085

El volumen de dilatación de una mezcla de agua-glicol (60/40) será, por consiguiente: Vd, 40 % gli co l = O, 085 · Vt

Además, el vaso de expansión se llena con el denominado volumen de reserva para compensar de esta manera ciertas pérdidas de fluido (por ejemplo, debido a la purga de aire), así como la contracción del fluido a temperaturas muy bajas. Para calcular la contracción se pueden usar los coeficientes de dilatación mencionados anteriormente y suponer otro caso extremo referente a la diferencia de temperaturas de aproximadamente 44 K entre el llenado a 20 ºC y la operación a la temperatura inferior, por ejemplo, de 24 grados bajo cero. Se trata en este caso de una suposición bastante segura, puesto que algunas de las tuberías se encuentran en el interior del edificio y n u nea estarán expuestas a esta temperatura extremadamente fría. En caso de una mezcla 60/40 de agua y glicol, el volumen de reserva que se necesita para la contracción sería: Vr= Vt ·O, 000654 / K · 44K =O, 029 · Vt

Se trata de un valor con un buen margen de seguridad, aproximadamente el 3 % del volumen total del circuito primario. No es aconsejable que se utilice el volumen de reserva para la compensación de escape de fluido a través de las fugas, ya que las pérdidas de fluido simplemente no deberían producirse en un sistema de «seguridad intrínseca». Por otro lado, es bastante común que una parte del volumen de reserva sirva para compensar pérdidas de fluido debidas a la purga de aire durante la operación inicial. Por consiguiente, el volumen de reserva debería ser de por lo menos tres litros, incluso en caso de instalaciones pequeñas.

---260

7.7 Vasos de expansión

El volumen de vapor que puede producirse en la instalación equivale a la suma del contenido líquido de los captadores y de una determinada parte del volumen en las tuberías del circuito primario (véase el apartado 7.1.4). El volumen del contenido líquido de los captadores se consigue sencillamente a partir de los datos indicados por el fabricante, pero es mucho más difícil determinar el volumen de vapor en las tuberías. Es necesario que el volumen de vapor se evalúe caso por caso en función de las características de la instalación solar. Con respecto a esto, es una ventaja la experiencia e intuición del proyectista.

I

/ //

Figura 7.24 Campos de captadores instalados en cubierta plana (arriba} y en fachada (abajo}. Las tuberías situadas en una zona de vapor potencial están marcadas con gris claro.

Como se indica en la figura 7.24, el fluido de trabajo en las tuberías situadas en posición superior a los captadores suele ser desplazado por el vapor producido en el estado de estancamiento. Este problema se aplica

261

7. El circuito primario

en particular a las instalaciones situadas en superficies no horizontales, o sea, sobre fachadas o cubiertas inclinadas. Si el campo de captadores presenta además un mal comportamiento de evaporación, el vapor puede propagarse por gran parte de la red de tuberías. En el caso extremo podría producirse una evaporación total del contenido líquido del circuito primario. Si el vaso de expansión no está diseñado para este caso, la válvula de seguridad responde en consecuencia de este aumento de volumen y de presión excesivo. Para minimizar el problema de vaporización, habría que : • Mantener en un mínimo el contenido líquido de los captadores y los diámetros de las tuberías. Sin embargo, por lo general, éstos no se pueden modificar fácil mente. • Evitar cuando sea posible tuberías por encima de los captadores. • Usar estrategias para el diseño del sistema que permitan un buen comportamiento de evaporación (véase también el apartado 7.1.4) . El volumen útil del vaso de expansión equivale a la suma del volumen de dilatación, Vd, del volumen de reserva , Vr> y del volumen de vapor, Vvap:

El volumen nominal del vaso de expansión debe ser considerablemente mayor al volumen útil, debido a que la presión en el lado del gas aumenta al entrar el líquido proveniente del circuito primario y, por lo tanto, el vaso de expansión no puede llenarse por completo. La relación entre el volumen nominal y el volumen útil del vaso de expansión está determinada por el denominado factor de presión :

El factor de presión corresponde al cociente de la presión final (presión absoluta) y la diferencia entre la presión final y la presión inicial. En el método de cálculo empleado en este apartado, el factor de presión se ha de calcular con la presión inicial en el lado del gas del vaso de expansión en vez de en el lado del fluido. La diferencia entre ambas presiones es la presión equivalente del volumen de reserva, Pvr> como se expone más adelante. El factor de presión se obtiene, por consiguiente, de la siguiente manera :

La presión estática se calcula en función de la diferencia de cotas (~h} entre el vaso de expansión y el punto superior del circuito primario. Por lo general, el punto superior del circuito está definido por el borde

262

7.7 Vasos de expansión

superior del captador. La presión estática aumenta 1 bar por cada 10 metros de diferencia de cotas . Pe st = L'ih·(l bar/ !Om)

Para evitar la entrada de aire en el circuito se fija la presión mínima en el estado frío del sistema, Pmf• en el punto superior de la instalación, siempre por encima de la presión atmosférica. Por lo general, se recomienda un valor de 1,5 bar (superior a la atmosférica) para las instalaciones pequeñas, mientras que las de mayor tamaño suelen poseer un valor inferior. La presión inicial en el lado del gas del vaso de expansión, Pgas• se calcula al sumar la presión estática, Pest• con la presión mínima en el estado frío, Pmf· La presión inicial en el lado del gas debe ajustarse con el vaso de expansión desconectado del circuito primario. Debido a que los vasos no suelen suministrarse con la presión justa, la adaptación se lleva a cabo durante su instalación.

La presión nominal de la válvula de seguridad, Pvs• constituye el límite de presión que nunca se debe alcanzar durante todas las condiciones de operación, incluso en estado de estancamiento. La presión nominal se elige en función de las presiones nominales de los componentes del circuito primario. Éstos a menudo tienen una presión nominal de 10 bar, mientras que la de 6 bar suele ser bastante común en las instalaciones pequeñas. Pvs = 6 bar ó 10 bar

A fin de evitar con total seguridad que salte la válvula de seguridad durante todas las condiciones de operación, es necesario dejar un margen entre la presión nominal de la válvula de seguridad y la presión máxima, o sea la presión final del sistema. Este margen equivale al 10 % de la presión nominal de la válvula de seguridad, y al menos debe ser de 0,5 bar. L'iPm > 0,5 bar

La presión final o presión máxima en estado caliente del sistema, con evaporación máxima, se obtiene, por consiguiente:

263

7. El circuito primario

Una vez que se haya determinado el volumen de reserva, VP se podrá calcular la presión equivalente del volumen de reserva, Pvr· Por medio de esta presión equivalente se establecerá la presión inicial en el estado frío del sistema. La presión inicial en el estado frío del sistema sobrepasa la presión inicial en el lado del gas del vaso de expansión exactamente en un valor igual a la presión equivalente al volumen de reserva. De este modo, se traspasará desde el circuito primario hacia el vaso de expansión una determinada cantidad de fluido tan pronto como el vaso de expansión previamente presurizado esté conectado al circuito.

Especialmente en el caso de instalaciones de gran tamaño, el proyectista deberá suministrar el valor de Pvr al instalador para que éste pueda ajustar la presión inicial correctamente durante el llenado y la presurización del circuito. La presión inicial en el estado frío del sistema equivaldrá entonces a la presión inicial en el lado del gas del vaso de expansión, a la que se suma la presión equivalente del volumen de reserva: pini cial = pgas +Pvr = pm f +P est+Pvr A continuación, se presenta un ejemplo:

Área de captación: 100 m 2 Contenido líquido de los captadores (0,6 l/m 2 ) :

601

Volumen de la red de tuberías y del intercambiador de calor: Volumen total del circuito primario:

Vt = 601+1501=2101

Coeficiente de dilatación (40 % glicol, calentado desde 10 ºC hasta 140 ºC) : Volumen de dilatación :

Volumen de vapor estimado en las tuberías : Volumen de vapor: Volumen útil del vaso de expansión: Diferencia de cotas entre el punto superior y el vaso de expansión :

n = 8,5 % Ve = 8,5 Vt = 17,85 1

Valor mínimo establecido para la reserva de agua: Volumen de vapor en los captadores:

150 1

Vr = 3 1 601 41 Vvap = 64 I

Vu = Ve + Vr + Vva p = 84,85 1 20 m

Presión estática por diferencia de cotas: Pest = 20mx1 bar /10 m = 2 bar Presión mínima (en estado frío) en el punto superior de la instalación :

264

7.7 Vasos de expansión

Presión inicial en el lado del gas del vaso de expansión:

Pgas = Pest + Pmf = 2,52 bar Pvs = 6 bar

Presión nominal de la válvula de seguridad:

Margen de presión para u na operación segura: !1P m = 10 % Pvs = 0,6 bar Presión final o presión máxima (en estado caliente): Diferencia operacional de presiones: Presión equivalente de la reserva de agua: Factor de presión:

Pfinal-Pgas = 2,9 bar

Pvr = (Vr /Vul (Pfinal - Pgasl = 0,1025 bar Fp = (Pfinal + 1)/(Pfinal - Pgasl = 6,4/2,9 = 2,207

Volumen nominal del vaso de expansión:

Vn >FP Vu

Siguiente tamaño disponible del vaso de expansión:

=

187,261 2001

Habiendo calculado el volumen nominal del vaso de expansión, se escoge en los catálogos el siguiente tamaño de vaso disponible. Igualmente, es posible elegir una combinación de varios vasos menores. Si resulta que el volumen nominal calculado es ligeramente mayor que el siguiente tamaño disponible, por ejemplo, 205 I en el ejemplo anterior, se escogerá una presión mínima un poco reducida para el campo de captadores, lo que permite el empleo del vaso menor. Teóricamente, sería posible fijar en cero la presión mínima del campo de captadores, debido a la existencia de una pequeña presión por encima de la atmosférica, inferior a 0,1 bar, que se debe al volumen de reserva. Sin embargo, esta ligera reserva puede reducirse e incluso llegar a desaparecer a causa de la purga de aire efectuada durante el inicio de la operación. Como el tamaño del vaso de expansión no suele representar un valor crítico en las instalaciones pequeñas, y como el volumen de reserva no es muy grande en comparación con los otros volúmenes, en especial con el volumen de vapor, es posible aumentar el volumen de reserva disminuyendo la presión inicial del vaso en el lado del gas sólo hasta la presión estática (Pgas = Pestl· La presión inicial se establecería aún en el valor habitua 1(P;nicial = Pest + Pmf + Pvrl· Una presión estática de valor relativamente alto constituye un problema con respecto al ejemplo calculado anteriormente. Si el vaso de expansión pudiera instalarse a una cota superior, la presión inicial disminuiría considerablemente. Sin embargo, la carga térmica al acercarse más al campo de captadores sería más crítica, lo que en caso de ausencia de un vaso tampón podría fácilmente causar daños en la membrana (véase el apartado 7.7.5). Tanto el volumen de vapor, como el factor de presión, desempeñan un papel decisivo para llevar a cabo un dimensionado correcto del vaso de expansión. Cuanto menor sea la diferencia operacional de presiones, o sea la diferencia entre la presión inicial en el lado del gas y la presión

265

7. El circuito primario

final a elevadas temperaturas, mayor será el factor de presión y, por consiguiente, el tamaño del vaso. Al determinar las presiones de trabajo en el circuito primario, hay que tener en cuenta los aspectos mencionados a continuación: • Cuanto mayor sea la presión máxima, mayor será la temperatura de evaporación del fluido de trabajo. Éste debe ser capaz de resistir el efecto de estas temperaturas y presiones. Al evaporarse el fluido, la presión y la temperatura seguirán aumentando hasta alcanzar el máximo. Cuanto más elevado sea el nivel de presión, más caro será el vaso de expansión . Por otro lado, eligiendo un nivel de presión más elevado, se podrá lograr un aumento significativo del volumen útil. Se recomienda que ambos factores sean examinados caso por caso. • Si se utilizan vasos de expansión de mayores tamaños y de alta presión nominal, es aconsejable considerar el empleo de un vaso de expansión con un sistema de regulación de presión automática . Por medio de esta variante se podrán economizar costes. • Por lo general, una combinación de varios vasos de expansión menores resulta más económica que un solo vaso grande, a pesar del aumento de costes que acarrea el montaje. • A fin de proteger el vaso de expansión frente a altas temperaturas, debe conectarse a la parte más fría del circuito, o sea, la tubería de retorno. Además, por medio de una tubería de conexión larga sin aislamiento térmico se logrará cierta protección del vaso de las altas temperaturas en el circuito primario. No obstante, con esta medida no se puede proteger el vaso de manera segura contra todos los efectos de la vaporización. Por esta razón , en determinados casos se necesitará un vaso tampón. 7. 7.4 Instalación correcta de los vasos de expansión Por lo general, las temperaturas de trabajo máximas admisibles de los vasos de expansión son de 120 ºC, para las membranas incluso de 70 ºC. Por este motivo se ha de evitar que entre líquido demasiado caliente o vapor en el vaso. En determinadas circunstancias se deberá instalar un vaso tampón con el fin de proteger el vaso de expansión (véase el apartado 7.7.5).

Por lo general, el vaso de expansión se instala en el lado de aspiración de la bomba (figura 7.25). Sobre todo, cuando la bomba debe superar una gran pérdida de carga, un conexionado en el lado de impulsión lleva a condiciones de presión poco favorables . No obstante, cuando en el dimensionado del vaso de expansión se ha tenido en cuenta el volumen máximo de vapor que puede producirse en el sistema, puede considerarse también la colocación del vaso de expansión en el lado de impulsión. Esto se debe al hecho de que la bomba no está en marcha

266

7.7 Vasos de expansión

cuando se produce vapor en la instalación. Por lo tanto, no es necesario un aumento del volumen útil del vaso de expansión para que durante la operación normal del sistema pueda compensarse la presión de trabajo más elevada en el lado de impulsión de la bomba. Se recomienda conectar el vaso de expansión por la parte superior, con tal de que la membrana y la cámara de gas se sitúen en la parte inferior. De este modo, la carga térmica de la membrana en el fondo del vaso será limitada gracias a la estratificación térmica del fluido. Además, de esta manera se logrará evitar que burbujas de vapor puedan alcanzar la membrana. A fin de impedir que el vaso de expansión se pueda desconectar del campo de captadores involuntariamente, es indispensable que cualquier válvula en las tuberías entre el vaso de expansión y el campo de captadores se asegure mediante tapas (figura 7.25). Tubería de retorno (a los captadores)

Tubería de impulsión (desde los captadores)

T

Figura 7.25 Posibles emplazamientos para la bomba, el vaso de expansión y las válvulas aseguradas contra cierre accidental.

7.7.5 Aplicación de los vasos tampón Los vasos tampón tienen la función de proteger la membrana del vaso de expansión frente a temperaturas superiores a las admisibles. Por lo general se trata de pequeños vasos de acero instalados en serie delante del vaso de expansión.

Su dimensionado debe garantizar, incluso en caso de propagación de vapor por las tuberías del circuito primario, una reducción suficiente de las temperaturas entre la entrada y la salida. No existe ningún reglamento vigente en cuanto al dimensionado del vaso tampón, pero

267

7. El circuito primario

sí se puede hacer referencia a otras normas. Por ejemplo, según la norma de ingeniería alemana VDI 6002, se exige la instalación de un vaso tampón cuando el contenido líquido de las tuberías entre los captadores y el vaso de expansión es inferior al 50 % del volumen útil del vaso de expansión dimensionado correctamente. Según el comportamiento de evaporación de los captadores y las posibilidades de desplazamiento de líquido en la red de tuberías (véase el apartado 7.1.4), hay que interpretar a cuál de las tuberías se refiere esta norma: bien al tramo más corto entre el vaso de expansión y los captadores o bien a la suma de todas las tuberías, en el lado de retorno y de impulsión . Ejemplo: La suma de contenido líquido de las tuberías de impulsión y de retorno de una instalación solar es de cinco litros. El vaso de expansión está situado en la tubería de retorno del captador y su volumen útil es de 17,21. El contenido líquido del tramo de tubería más corto entre el campo de captadores y el vaso de expansión corresponde a un valor de sólo 2 1itros.

Siendo el 50 % del volumen útil del vaso de expansión (0,5 x 17,2 1=8,61) menor que la suma del contenido líquido de las tuberías de impulsión y de retorno, es necesaria la instalación de un vaso tampón. Se requerirá un volumen del mismo de 8,61- 21=6,61, en caso de que, al empezar la evaporación en el campo de captadores, el fluido de trabajo se desplace hacia el vaso de expansión solamente por el tramo de tubería más corto. Válvula Lado de gas Fluido de trabajo

Membrana

Válvula asegurada con una tapa

Vaso de expansión

Vaso tampón

Figura 7.26 Instalación del vaso de expansión con un vaso tampón en serie.

268

7.8 Bombas de circulación

7.8 Bombas de circulación 7.8.1 Función y requisitos La función de la bomba es la de producir la circulación del fluido de trabajo en el circuito primario. Las bombas utilizadas deben resistir las temperaturas de trabajo que pueden producirse en el circuito primario durante un período muy prolongado. Debido a las menores cargas térmicas, la bomba suele instalarse en la tubería de retorno, donde las temperaturas de trabajo son mínimas. No obstante, aun durante la operación normal, las temperaturas en el circuito primario pueden ascender a unos 100 ºC en el retorno y a unos 120 ºC en las tuberías de impulsión (véase el apartado 7.1.2). Además, la bomba debe ser capaz de resistir valores máximos de temperaturas de corta duración de hasta 130 ºC, por ejemplo, cuando entra fluido de trabajo muy caliente desde los captadores en el circuito primario al reanudar la operación de la bomba tras un período de estancamiento a una irradiancia elevada. En vista de que estas temperaturas son poco frecuentes y sólo tienen una duración muy corta en un sistema dimensionado correctamente, se recomienda consultar con el fabricante de la bomba, a fin de confirmar el comportamiento de la misma bajo las condiciones mencionadas anteriormente.

Hasta la fecha, no se dispone de investigaciones estadísticas sobre los valores y la duración de las temperaturas máximas que pueden aparecer en el peor de los casos, tanto en el circuito primario, como en el acumulador. Esto se debe a que las pruebas necesarias, como la operación de la bomba bajo condiciones poco favorables, se han de realizar manualmente y exigen mucho tiempo. Además, el diseño del circuito primario desempeña un papel importante en este contexto. Cuanto menos pesen las tuberías del circuito primario en relación al peso de los absorbedores y, por consiguiente, cuanto menor sea la relación entre las capacidades térmicas de ambos componentes, menor será la reducción de los valores máximos de temperaturas del fluido de trabajo al circular desde el campo de captadores al acumulador. Además de la resistencia a temperaturas elevadas, es evidente la necesidad de una bomba que pueda soportar los efectos de una exposición continua al fluido de trabajo, normalmente agua o una mezcla anticongelante. Esto se aplica no sólo a la carcasa de la bomba, sino también a todas las juntas de estanquidad, sobre todo con respecto al glicol. Otros requisitos importantes de la bomba son: Debe funcionar con un rendimiento alto en el punto de operación . • Debe poseer una larga vida útil, incluso con conexiones y desconex iones relativa mente frecuentes. • Debe ser económica .

269

7. El circuito primario

7.8.2 Evaluación a largo plazo de las bombas de circulación En este estudio se examinaron las bombas de nueve instalaciones solares provenientes del programa de investigación ZIP. Seis de las instalaciones aún estaban operativas, mientras que las otras tres fueron reconectadas en el marco del programa de investigación. Sólo después de reconectar estas instalaciones se pudieron observar los daños en estas tres bombas.

----· •



A

16

B

15





••



.'



• ••

,

.

••







••



Grundfos UPS 50-120

Hierro fundido

Acero inoxidable 1 l

Eléctrica: no

KSB

Hierro fundido

Hierro fundido



Etath. H 65-13/084

1



c

16

Wilo RS 25-80

Hierro fundido

Plástico



Ligera sedimentación sobre el rotor

01

16

Wilo RS 25-lv

Hierro fundido

Plástico

Eléctrica: no

Ligera sedimentación sobre el rotor

02

16

Wilo RS 25/80

Hierro fundido

Plástico



Ligera sed imentación sobre el rotor

~

16

Wilo RS 30/80

Hierro fundido

Plástico

Eléctrica: no

p

13

Grundfos UPS 40-120

Hierro fundido

Acero inoxidable 1 l



Q

16

Wilo RS 30-1

Hierro fundido

Plástico



Rodete fundido

R

16

Wilo RS 30/80

Hierro fundido

Plástico

Mecánica: no

Fuerte sedimentación sobre el rotor

1

lAcero al níquel cromo inoxidable

Tabla 7.7 Cuadro sinóptico de las bombas de circulación examinadas.

En primer lugar, las bombas fueron analizadas con respecto a su funcionalidad eléctrica. Se descubrieron tres de ellas que no servían desde un punto de vista eléctrico, mientras que otra tenía el rotor obstruido debido a la suciedad infiltrada, la cual impedía el funcionamiento de prueba. Tras haber realizado dicha prueba, las bombas se desmontaron para examinar por separado el estado de sus componentes. Las carcasas de todas las bombas analizadas eran de hierro fundido. En el interior de seis de las nueve carcasas se había formado una capa fina, pero ninguna de ellas presentó síntomas de daños corrosivos. En un análisis sobre la mecánica de las partes móviles se pudo comprobar que todas las bombas, a excepción de una, seguían intactas en

270

7.8 Bombas de circulación

este aspecto. En dicha bomba, el eje estaba fijado firmemente en el cojinete. Durante un período de dos años, la bomba había estado fuera de servicio. En el rotor, en el cojinete y hasta en la carcasa del motor de esta bomba se hallaron sedimentaciones del fluido de trabajo (figura 7.27, derecha}. Éste entró por la junta del cojinete del eje. En los componentes de otras tres bombas se notaron indicios de sedimentaciones parecidas. De acuerdo con los resultados obtenidos, hay que suponer que la entrada de agua-glicol en la carcasa del motor no representa un caso aislado.

Figura 7.27 Los rotores de dos bombas con sedimentación ligera (a la izquierda} y fuerte (a la derecha).

Figura 7.28 Carcasa del motor, totalmente intacta, de una bomba carente de toda sedimentación.

271

7. El circuito primario

Los rodetes de ocho de las nueve bombas no mostraron indicios de degradación. Cuatro de ellos estaban cubiertos de una capa delgada de sedimentaciones. En el rodete sintético de una de las bombas se observó un borde fundido ocasionado por un sobrecalentamiento local (figura 7.29). No se pudieron determinar correctamente, ni la denominación exacta, ni la resistencia a las temperaturas recomendadas del material sintético, ni tampoco las condiciones en las que se produjeron los daños. Aunque la bomba seguía funcionando a pesar del daño detectado en ella, probablemente lo hacía con un rendimiento reducido.

Figura 7.29 Rodete sintético de una bomba de circulación con un borde fundido.

Las juntas de estanquidad de la carcasa, que son láminas de fibras de asbesto comprimido, seguían intactas en todas las bombas examinadas. Sin embargo, se notó una ligera deformación de las juntas tóricas en dos de las bombas, lo que supone que el material había sufrido los efectos de las cargas térmicas. 7.8.3 Aplicación correcta y dimensionado El comportamiento de las bombas de las instalaciones solares que trabajan conforme al principio de bajo flujo («low-flow»), provistas de intercambiadores de calor externos, es más bien crítico con respecto a las cargas térmicas.

En este caso, incluso en la tubería de retorno, la bomba puede estar sometida a temperaturas de trabajo superiores a los 90 ºC, con temperaturas máximas de hasta 120 ºC (véase el apartado 7.1.2). Por lo tanto, la carga térmica de la bomba y de todos sus componentes es superior a la de las instalaciones que operan con flujo normal. A fin de reducir las cargas térmicas punta, se aconseja reanudar mediante un sistema de control apropiado la operación de la bomba del circuito primario tras un período de estancamiento, pero sólo después de que

272

7.8 Bombas de circulación

se hayan enfriado los captadores a una temperatura notablemente inferior a la temperatura de estancamiento, por ejemplo, a 140 ºC. Debido a la mayor viscosidad de las mezclas anticongelantes en comparación con el agua pura, el contenido del glicol en el fluido de trabajo no debería sobrepasar el SO% para evitar pérdidas de carga elevadas en el circuito primario, sobre todo, a temperaturas bajas. Además, al aumentar el porcentaje de glicol, se produciría no sólo un aumento de la viscosidad, sino también una disminución de la capacidad térmica del fluido. El montaje de la bomba se debe realizar de acuerdo con las instrucciones indicadas por el fabricante, por ejemplo, se aconseja instalar la bomba con el eje en posición horizontal. No es aconsejable que se coloquen verticalmente por encima de la bomba accesorios tales como válvulas de compuerta o purgadores de aire automáticos, puesto que éstos pueden llegar a sufrir fugas . En esos casos podrían originarse también daños en el interior de la bomba ocasionados por las fugas del fluido de trabajo, como, por ejemplo, un cortocircuito. Antes de poner en marcha una instalación solar se recomienda limpiar el circuito primario para extraer las sustancias y partículas que, en caso contrario, podrían dañar la bomba . La limpieza puede resultar aún más eficaz si se permite que el agua se caliente en el circuito primario. Un problema especial de las instalaciones que trabajan conforme al modo de bajo flujo consiste en la gran desproporción existente entre la pérdida de carga y el caudal. Especialmente en instalaciones pequeñas provistas de una bomba pequeña, los captadores están a veces conectados en serie con el propósito de mantener bajos los gastos en tuberías, llevando a sus límites la pérdida de carga total en el circuito primario. Si, en tal caso, se reequipa el sistema, por ejemplo, con un filtro, o si se ensuciara levemente uno de ellos, o si el eje de uno de los caudalímetros quedara atascado ligeramente, o también en caso de que el proyectista hubiera cometido errores en el cálculo de la pérdida de carga, podría ocurrir que la circulación quedara paralizada en el circuito primario. Aunque la bomba continuara su funcionamiento, no lograría bombear un caudal apreciable. En la figura 7.30 se representan las curvas características de una bomba utilizada en un circuito primario con una pérdida de carga demasiado elevada. En este ejemplo, la bomba fue diseñada para trabajar con un caudal total de 1200 l/h para un campo de captadores de 100 m 2 de superficie. A partir de estos valores se obtiene como resultado un caudal específico del campo solar de 12 l/(m 2 ·h) . Además, la bomba tenía que resistir temperaturas de hasta 130 ºC. Según el cálculo del proyectista, la altura de la bomba necesaria fue de 8 metros. Los requisitos dados (una temperatura de 130 ºC, un caudal de 1200 l/h, una altura

- - -, 273

7. El circuito primario

de la bomba de 8 m) limitaban en gran parte la elección de las bombas disponibles. En la práctica resultó que las curvas características de la red de tuberías, tanto la real, como la calculada, diferían considerablemente (véanse ambas líneas en la figura 7.30). El caudal resultante fue de 700 l/h en vez de 1200 l/h. Esta diferencia se debió a errores que el proyectista cometió al realizar los cálculos, como el no haber incluido ni un caudalímetro ni parte de los accesorios. Por tal motivo, se tuvo que llevar a cabo un aumento de la altura manométrica de la bomba en un metro.

I I

12

11 10 9

8 7 6

5 4

3 2 1

o

o

1

2

3

4

5

6

7

8

Caudal (m'/h) -

Curvas de la bomba (nivel 1,2,3)

Curva de la red de tuberías (real)

-

Curva de la red de tuberías (calculada)

Figura 7.30 Curva característica de la red de tuberías (según los cálculos teóricos y en la práctica) y curvas características de la bomba con tres niveles de velocidad {puntos de operación teóricos,"ª" y «c»,y real, «b»).

La forma de la curva característica calculada de la red de tu be rías presenta más bien una fuerte inclinación. El punto de operación «a» se encuentra en la intersección con la curva de la bomba a nivel de velocidad 2. Aunque en el punto real de operación «b» sólo se aumentó ligeramente la altura de la bomba en un valor de 0,5 m o del 6 %, se observó una reducción considerable del caudal, equivalente a un valor de 700 l/h o del 60 %. En el circuito primario, sometido a las condiciones de este caudal muy reducido, se alcanzarían temperaturas de trabajo superiores, lo que llevará a una reducción del rendimiento. En caso de que para la tubería se obtenga una curva característica tan empinada, el problema no quedaría resuelto con sólo aumentar el nivel de velocidad de la bomba . Aunque un cambio al nivel de velocidad 1 (punto de operación «c») conlleve un incremento significativo de la altura de la bomba, equivalente a 2 m, sólo se nota un ligero aumento del

,- - 274

7.8 Bombas de circulación

caudal. De este manera, no se podrá obtener el valor del caudal de diseño. Según el ejemplo calculado anteriormente, lo deseable sería disponer de una curva característica de la bomba mucho más empinada que intersecte con los ejes en los puntos (O m 3 /h; 15 m) y (2,5 m 3 /h; O m) . Sin embargo, aún no se dispone de una bomba estándar que reúna estas propiedades. Por otro lado, el punto de operación de la bomba se encuentra en un área de rendimiento bajo. Como es deseable alcanzar puntos de operación con un mejor rendimiento de la bomba, se prefiere hacerla trabajar al nivel más alto de velocidad y con caudales moderados, o sea, en el punto medio de la curva característica de la bomba correspondiente a una relación óptima entre la potencia mecánica y la potencia eléctrica . Por lo general, las bombas de calefacción disponibles habitualmente en este nivel de potencia, equivalente a 200 We1-500 Wel• alcanzan un rendimiento entre el 25 % y el 35 % en el punto óptimo de operación . Sin embargo, al acercarse a los bordes de la curva característica, el rendimiento es sólo de un 10 %. Además, si se cambia la velocidad de la bomba a un nivel inferior, se producirá también una reducción del rendimiento de la misma . En el ejemplo tratado, la bomba debería funcionar con un rendimiento muy reducido, aproximadamente entre sólo el 10%yel 15 %. Por parte de los fabricantes se espera que prosigan intentando mejorar el rendimiento de las bombas hasta lograr un porcentaje del 50 %, o incluso superior. Asimismo, es de desear que ellos sean capaces de reconocer y elaborar, sobre todo, las exigencias reales en las instalaciones solares térmicas, a fin de construir modelos que se puedan adaptar a las condiciones de operación en el circuito primario. Ya se ha dado un paso positivo en esta dirección gracias a un fabricante, tras haber diseñado bombas de un rendimiento casi doble, debido al empleo de un motor eléctrico de corriente continua controlado electrónica mente y provisto de imanes permanentes. Como resumen de todo lo expuesto anteriormente, hay que insistir en evitar que la relación entre la pérdida de carga y el caudal de un circuito primario alcance valores excesivos. Aunque sea preferible un conexionado en serie de los diversos captadores en los sistemas de bajo flujo, éstos han de mantenerse en un número limitado en cada serie, al menos hasta que se disponga de bombas adecuadas. De igual manera, la red de tuberías y el intercambiador de calor se han de dimensionar adecuadamente. Mediante una limpieza regular de los filtros, así como por medio de una purga de aire en el circuito primario, se podrá impedir que aumente la pérdida de carga durante la operación del sistema.

- - -, 275

7. El circuito primario

Cabe observar que, por lo general, no se recomienda el uso de válvulas de equilibrado para conseguir un flujo uniforme en los subcampos del campo solar. En muchas ocasiones, mediante un dimensionado esmerado de las tuberías y una combinación adaptada de un conexionado en serie y en paralelo de los captadores, se puede evitar la necesidad de recurrir a estas válvulas.

7 .9 Accesorios 7.9.1 Requisitos De manera semejante a otras instalaciones térmicas en los edificios, el circuito primario solar está provisto de accesorios como termómetros, manómetros, filtros y diversos tipos de válvulas (válvulas de corte, de retención o de regulación), así como dispositivos de monitorización y equipos de seguridad. De estos dispositivos y equipos se exige que cumplan las especificaciones expuestas a continuación:

• Que estén certificados para trabajar hasta temperaturas máximas de unos 130 ºC (y en la tubería de impulsión del captador, hasta máximos de 150 ºC) o la temperatura más elevada posible en el lugar de aplicación del dispositivo. • Que sean compatibles con los materiales de los otros componentes y con el fluido de trabajo (por ejemplo, agua-glicol). • Que estén certificados para un nivel de presiones de trabajo del campo de captadores (hasta el valor de la presión nominal de la válvula de seguridad). • Que sean económicos. Las escalas de los caudalímetros o válvulas de regulación han de calibrarse según las propiedades del fluido de trabajo utilizado. Ya que las temperaturas de trabajo pueden ser elevadas, se aconseja el uso de caudalímetros o válvulas de regulación cuyos componentes no sean de material plástico. 7.9.2 Evaluación a largo plazo de los accesorios del circuito primario En un análisis aleatorio de un grupo de seis instalaciones solares después de 15 años en servicio, se tomaron muestras de diversos accesorios con el fin de examinarlos detalladamente. Los accesorios eran de latón y se hallaban todos en un buen estado. Algunas de las muestras estaban cubiertas de una capa verde delgada de depósitos provenientes del fluido de trabajo, lo que no afectó al funcionamiento .

Las juntas tóricas de las válvulas de corte, compuestas de elastómero negro, continuaban en un estado impecable. A pesar de todo, este tipo de juntas constituye con el tiempo una fuente potencial de fugas. Por

276

7.10 Purga de aire

tal motivo, bajo las condiciones de trabajo impuestas, es preferible el empleo de válvulas de bola en el circuito. En algunas de las uniones roscadas se observó la aparición de fugas, sobre todo, tras haber sido selladas con cinta de teflón . Por lo tanto, cuando se trabaje con mezclas de agua-glicol se recomienda el uso de cáñamo. En otras ocasiones, los captadores estaban conectados por medio de mangueras de caucho con fibra reforzada . Debido a la tensión térmica constante, éstas se tornaron quebradizas, y se agrietaron y desmenuzaron, lo que condujo a su deterioro completo, y por ello sólo se pudieron usar durante un espacio de tiempo restringido. En el transcurso de varios años de servicio de asistencia a las instalaciones, la experiencia ha podido demostrar que las conexiones de manguera aseguradas firmemente con abrazaderas, práctica frecuente en el pasado, constituyen puntos débiles en el circuito, en particular, debido a la capacidad del glicol de penetrar en pequeños intersticios. Hoy en día, ya no se instalan estas conexiones de manguera, en vista de que las técnicas actuales, como por ejemplo los manguitos de compresión, ofrecen una alternativa de mayor seguridad, además de que son más fáciles de instalar. Según las experiencias obtenidas relacionadas con válvulas reguladas, no conviene utilizar válvulas magnéticas. Incluso si se emplean de modo correcto, exigen, por lo general, una presión de apertura mínima de aproximadamente 3 bar. Esto no es aceptable en el circuito primario solar. La solución que se prefiere son válvulas motorizadas.

7.10 Purga de aire 7.10.1 Función y requisitos Cuando un circuito primario de un sistema solar o un sistema de calefacción se llena de fluido, se desplaza la mayor parte del aire que al principio se hallaba en el sistema. No obstante, se observa la persistencia de pequeñas burbujas de aire desplazadas con el fluido que después se van purgando poco a poco. Otra pequeña parte del aire se disuelve en el líquido hasta que logre ser liberada gradualmente a temperaturas su peri ores.

El aire se acumula siempre en el punto superior del circuito primario. Además, puede acumularse en partes del circuito en donde no existen conexiones ascendentes hacia el punto superior de la instalación . La presencia de aire en el circuito primario provoca ruidos como borboteo o murmullo, y en grandes cantidades puede llevar a una paralización de la circulación . En tal caso, el fluido no circula a pesar del funcionamiento constante de la bomba. Este problema pudo observarse con frecuencia en instalaciones solares mantenidas de manera deficiente.

277

7. El circuito primario

En caso de que el aire se acumule en la bomba y no sea purgado o eliminado con el flujo, los cojinetes de la bomba, refrigerada normalmente por agua, pueden calentarse hasta deteriorarse. La acumulación de aire en una válvula de retención puede ocasionar un traqueteo que se atribuye comúnmente a la bomba. Si se forma una burbuja de aire voluminosa frente a una válvula de retención, puede impedir la circulación del fluido cuando la bomba arranca . En caso semejante, es posible que la bomba se sobrecaliente y que el cojinete se dañe. En conclusión , se puede afirmar que la presencia de aire en el circuito primario perjudica de manera grave el buen funcionamiento del sistema y, por lo tanto, hay que asegurar una purga del aire eficaz e impedir la entrada de aire en el circuito, así como evitar escapes de fluido de trabajo. La purga de aire se efectúa en dos aspectos o fases distintos: l. Purga de aire durante la fase inicial del llenado, cuando el líquido que entra en el circuito desplaza grandes cantidades de aire.

2. Purga constante de pequeñas burbujas de aire durante la operación normal. Durante el proceso de llenado se han de abrir todos los purgadores a fin de que el fluido pueda desplazar el aire en el circuito (esto no es necesario en un proceso de llenado presurizado). Los purgadores automáticos cumplen esta función sin necesidad de vigilancia, pero requieren un llenado gradual para evitar que se dañen. Los purgadores manuales han de cerrarse en el momento que el líquido empiece a derramarse. Es igualmente posible la realización de un llenado cíclico en varias etapas. De esta manera el líquido es conducido bajo presión hacia el interior del sistema con los purgadores cerrados, antes de que se abran para extraer el aire. Durante la operación normal se efectúa la acumulación de aire en las llamadas galerías de captación y reposo (figura 7.32), las cuales luego se purgan durante el mantenimiento. Aunque es más conveniente el uso de purgadores automáticos en estos puntos, no se recomienda por lo general su uso en el circuito primario, a no ser que estén desconectados por medio de una válvula de corte durante la operación normal. Esto se refiere sobre todo a las partes en donde es posible la acumulación de vapor, ya que en caso contrario puede escaparse por el purgador automático. Por lo tanto, en la actualidad se recomiendan para el circuito primario los purgadores manuales. Si un sistema se dimensiona correctamente y siempre se mantiene ligeramente presurizado, y si se lleva a cabo un buen mantenimiento, no debería entrar aire en el circuito. No obstante, la situación es bastante diferente si las fugas pequeñas pasan inadvertidas y si se produce una presión inferior a la atmosférica en el punto superior de la instalación.

278

7.10 Purga de aire

Este fenómeno se observó frecuentemente en las instalaciones solares antiguas. Los purgadores de aire localizados en las partes superiores del sistema deben ser capaces de resistir temperaturas próximas a la temperatura de estancamiento del captador (de hasta unos 200 ºC), ya que es seguro que una cierta cantidad de vapor caliente alcanzará a los purgadores. En los puntos restantes del circuito primario, los purgadores de aire apropiados han de resistir temperaturas de un valor mínimo de 130 ºC.

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Figura 7.31 Purgador automático con válvula de corte. En esta posición, sin galería de captación y reposo, la purga de aire resulta difícil.

A fin de garantizar un funcionamiento correcto de los purgadores automáticos sin que se produzcan fugas a causa de juntas sucias o sedimentaciones en el flotador, es aconsejable que se tengan en cuenta las siguientes observaciones: • Los purgadores automáticos deben cerrarse con válvulas de corte durante la prueba de estanquidad, los rellenados o aumentos de presión . Por lo general, se emplean para este fin válvulas de bola de 3/8". Para evitar que entren partículas de suciedad en el purgador automático durante el rellenado, se recomienda realizar gradualmente el mismo.

279

7. El circuito primario

Figura 7.32 Purgador manual y automático con válvula de corte situado en una galería de captación y reposo.

Durante la operación se han de cerrar bien los purgadores de aire cerca de los captadores, a fin de evitar cualquier escape indeseado de vapor en caso de un estado de estancamiento del captador. Por eso se recomiendan los purgadores manuales enteramente metálicos. Los purgadores automáticos son más bien recomendables en bombas de purga automática, o en desgasificadores absortivos, o desaireadores de efecto ciclón .

Figura 7.33 Desaireador de efecto ciclón (no deben usarse en lugares expuestos al vapor).

Los purgadores manuales enteramente metálicos, junto con botes de aire, ofrecen una buena solución para los lugares expuestos al vapor. En el caso más sencillo, los botes de aire consisten en un trozo corto de tubo que parte de las tuberías en dirección hacia arriba. El purgador de aire se coloca en la parte superior del bote. También hay unidades completamente prefabricadas. A fin de reducir las pérdidas térmicas, los botes de aire han de aislarse adecuadamente.

280

7.10 Purga de aire

Algunas de las instalaciones solares funcionan con sólo un sistema de purga de aire centralizado en la parte inferior de la instalación. Durante la puesta en marcha, la purga de aire se realiza al mismo tiempo que los ciclos correspondientes de llenado y limpieza. Para este procedimiento, la velocidad del fluido en las tuberías descendentes debe ser lo suficientemente alta para que el flujo lleve las burbujas de aire hacia abajo. Esto suele suceder si la velocidad del fluido es superior a 0,4 m/s. Sin embargo, es difícil cumplir esta condición en los campos de captadores conectados en paralelo. El procedimiento simultáneo de llenado, limpieza y purga se muestra en la figura 7.34. Con una bomba potente, el circuito se llena con agua desde un recipiente. Tras cerrar la válvula de corte entre las dos válvulas de llenado y vaciado, el fluido y el aire contenido en él salen por la válvula de vaciado. La manguera de salida se sumerge ligeramente en el recipiente para controlar fácilmente la presencia de burbujas de aire. La bomba permanece en funcionamiento hasta que todas las burbujas de aire se hayan eliminado del circuito. Por lo general, este proceso de limpieza y purga exige por lo menos una duración de 10 minutos. Si ya no salen más burbujas de aire, se cierran las válvulas de llenado y vaciado, la bomba se apaga y la manguera de aspiración se conecta a un tanque que contenga mezcla anticongelante suficiente. Entonces, la bomba se reconecta y se vuelven a abrir consecutivamente las válvulas de llenado y de vaciado. Primero se abre la válvula de llenado con el fin de evitar que entre aire. Luego, se introduce bajo presión la mezcla anticongelante en el sistema, en donde se produce desplazamiento de agua. Cuando se noten rastros de anticongelante, fáciles de identificar gracias a su constitución y a su color, en la salida de la manguera, se cierra inmediatamente la válvula de vaciado. Con la bomba en marcha se presuriza el circuito hasta el valor nominal. Después, se cierra la válvula de llenado, se desconecta la bomba y se vuelve a abrir la válvula de corte entre las dos válvulas de llenado y vaciado. Por último, se ha de tomar una prueba del fluido para verificar la concentración de la mezcla anticongelante. El mismo procedimiento, aunque no se efectúa la limpieza, se aplica durante el mantenimiento al rellenar la instalación en caso necesario.

281

7. El circu ito primario

Figura 7.34 Ilustración del procedimiento de llenado, limpieza y purga según el manual de Roto Frank.

282

7.10 Purga de aire

Si el punto superior del circuito primario está ubicado en un lugar de difícil acceso sobre la cubierta, por ejemplo, cerca de la parte superior de la misma, se podrá utilizar un purgador de aire, como se indica en la figura 7.35. Un tubo delgado proveniente de la galería de captación y reposo conduce el aire hacia una posición inferior de fácil acceso, donde la purga de aire puede efectuarse mediante un purgador manual. Cabe recordar que este tubo de purga se llena de fluido tras haberse terminado la purga.

1

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Figura 7.35 Purga de aire centralizada en el punto superior del circuito primario.

Los denominados desaireadores son en principio semejantes a los botes de aire. La separación de aire se mejora mediante una conducción especial del flujo. Dado que los desaireadores se purgan con frecuencia, es desea ble tener fácil acceso a el los, por ejemplo, situándolos en el sótano del edificio. Para conseguir que un desaireador se use en un punto relativamente bajo del sistema, en donde las burbujas de aire nunca logran moverse por sí mismas, la velocidad del flujo debe ser lo suficientemente elevada para transportar el aire hacia abajo. La velocidad , debido a la fuerza ascensional de las burbujas de aire en el agua, es aproximadamente de 0,25 m/s. Con una velocidad considerablemente mayor, de unos 0,4 m/s, en tuberías descendentes por todo el circuito, se podría asegurar que las burbujas de aire lleguen al desaireador. Con el fin de satisfacer esta condición, el diámetro de las tuberías no debería ser demasiado grande y el caudal no demasiado pequeño.

283

7. El circuito primario

Es también importante tener presente la necesidad de una purga de aire esmerada a fin de evitar los efectos de la corrosión, ya que ésta suele acelerarse considerablemente en presencia de oxígeno. La presencia de aire parece representar un menor riesgo cuando se usan materiales relativamente inertes a la corrosión, como el cobre o acero suficientemente grueso. Por otra parte, los productos corrosivos podrían contaminar el fluido de trabajo al depositarse allí durante el proceso de evaporación . De esta forma podría producirse un bloqueo local en la sección transversal del interior de la tubería . Vale la pena mencionar en este contexto el envejecimiento acelerado de la mezcla anticongelante en presencia de aire. En un caso extremo, el valor pH del fluido podría disminuir hasta un valor inferior a 7 debido a los productos ácidos resultantes de la reacción corrosiva . A consecuencia de esto, podría originarse un aumento de la corrosión, sobre todo en las costuras de soldadura del captador. En caso de que el valor pH del fluido de trabajo sea inferior a 7, se recomienda una sustitución completa del fluido.

7.11 Equipo de seguridad 7.11.1 Requisitos Las normas de seguridad establecidas para las instalaciones térmicas solares se exponen en las normas europeas EN 12975, EN 12976, ENV 12977 e ISO 9806, las cuales fueron ya tratadas en el capítulo 5. El equipo de seguridad se necesita para garantizar la seguridad de operación y prevenir daños en la instalación, al igual que ofrecer seguridad al operario. Para cumplir estos requisitos, el equipo ha de dimensionarse, seleccionarse e instalarse cuidadosamente. Se han constatado casos de accidentes de lesiones de personas en momentos en que el vapor caliente se recogía durante períodos de estancamiento en un recipiente totalmente inadecuado. Por lo tanto, todos los componentes del equipo de seguridad se han de adaptar a las condiciones de operación de la instalación solar, en particular a las presiones y temperaturas de trabajo, así como a los períodos de estancamiento. En especial, en el caso de instalaciones de gran tamaño, la tarea de los proyectistas consiste en asegurar este objetivo, ya que son las únicas personas que poseen información completa con respecto a las condiciones de operación deseadas. No se puede recomendar que esa responsabilidad se transfiera al instalador.

7.11.2 Conceptos de seguridad Cuando un campo de captadores de gran tamaño se subdivide en varios subcampos, y si éstos pueden desconectarse del circuito con válvulas de corte, por ejemplo, para realizar trabajos de mantenimiento en uno

284

7.11 Equipo de seguridad

de los subcampos sin tener que cerrar completamente el sistema, cada uno de los subcampos debe estar provisto de su propia válvula de seguridad. Hay que prestar especial atención a que no sea posible cerrar la tubería entre los captadores y las válvulas de seguridad correspondientes. Estas válvulas de seguridad deben estar certificadas para resistir las temperaturas máximas que se pueden presentar en el captador. Se exige que estén provistas de una tubería de escape, por la cual el fluido o vapor caliente circule hacia un recipiente para su recogida centralizada . En caso de que la distancia entre las diferentes válvulas de seguridad sea bastante grande, se pueden utilizar varios recipientes colocados en un lugar próximo. Se debe considerar la posibilidad de un rellenado del circuito primario por medio de una bomba de control manual. Las tuberías de escape han de ser a prueba de corrosión, por ejemplo, de cobre. Además, estos tubos han de colocarse de manera tal que no se congelen, ni que tampoco se llegue a acumular agua en su interior. El recipiente de recogida ha de ser altamente resistente al calor e impermeable. No es apropiado el uso de acero galvanizado, debido a la posible interacción con el fluido de trabajo. El tamaño de la válvula de seguridad, o sea, el diámetro de entrada y la boquilla de la salida deben elegirse según los reglamentos vigentes . Además, siempre hay que garantizar que el escape de fluido o vapor se efectúe de manera segura, sin poner en peligro al personal.

Válvula de seguridad del subcampo 1

Válvula de seguridad del subcampo 2

Válvula de seguridad principal

Figura 7.36 Posicionado de las válvulas de seguridad y tuberías de escape correspondientes.

Se recomienda mantener las válvulas de seguridad colocadas en la cubierta, fuera de la zona de vapor, ya que de otro modo resultaría más difícil recoger el vapor que se escapa .

285

7. El circuito primario

El tamaño de las válvulas de seguridad tiene que elegirse en función de la potencia térmica máxima de la instalación, considerando además que el escape pueda efectuarse en forma de vapor. Según la norma alemana, deben emplearse las válvulas de seguridad de la tabla 7.8. Tamaño de la válvula (diámetro de entrada}

Área de captación (m2)

lSmm

so

20mm

100

'

25mm

200

32mm

350

40mm

600

Ta bla 7.8 Tamaños de las válvulas de seguridad (diámetro de entrada) en función del área de captación.

La válvula de seguridad principal debe estar certificada para una temperatura de por lo menos 120 ºC. La presión nominal de la válvula de seguridad debe estar por debajo de la presión nominal de trabajo del componente más débil del circuito o ha de ser igual a ésta. La presión de cierre de la válvula de seguridad debe ser, como mínimo, de un 90 % de su presión nominal. Se deben observar los reglamentos correspondientes a la clasificación e identificación de las válvulas de seguridad. Se recomienda que la válvula de seguridad principal se diseñe de tal manera que responda a una presión claramente inferior a la de las válvulas locales en los subcampos y, por consiguiente, que sea la primera en reaccionar. En caso de que la diferencia de cotas entre la válvula de seguridad principal y las válvulas en los subcampos sea igual o mayor a 10 m, la presión nominal de todas las válvulas puede ser la misma, puesto que entonces sí es cierto que la válvula principal será la primera en responder debido a la presión estática. Ejemplo: Una instalación con un área de captación de 100 m 2 y con un contenido líquido de los captadores de 601 se divide en dos subcampos, cada uno de 30 l. En los dos subcampos se emplean dos válvulas de seguridad de un diámetro de entrada de 15 mm, certificadas hasta una temperatura de 225 ºC, y en el sótano, a una diferencia de cotas de 10 m, una válvula de seguridad principal de 20 mm certificada para 120 ºC. La presión nominal de todas las válvulas de seguridad es de 6 bar. Debido a la presión estática adiciona 1en el sótano, la válvula de seguridad pri ncipa 1será la primera en responder.

286

7.11 Equipo de seguridad

7.11.3 Experiencias a largo plazo con los equipos de seguridad Entre las instalaciones analizadas en el marco del programa de investigación ZIP, tras haber prestado un período de servicio de 13 a 16 años, algunas poseían captadores de bajo rendimiento y utilizaban como fluido de trabajo una mezcla con alto contenido en glicol, de hasta el 80%. El objetivo consistía en evitar totalmente la evaporación, incluso durante el estado de estancamiento, por lo que en la mayoría de los casos los vasos de expansión se dimensionaron con un tamaño pequeño sin tener en cuenta una posible evaporación.

En vista a deficiencias que se dieron durante el montaje de las instalaciones solares, se produjeron a menudo fugas pequeñas. Como consecuencia, no fue posible mantener la presión necesaria para impedir la evaporación. Por ta 1 motivo, se observa ron esca pes frecuentes de fluido por la vá 1vu la de seguridad, en especial debido a que la mayoría de las instalaciones estaban sobredimensionadas y, por lo tanto, se encontraban a menudo en un estado de estancamiento. En combinación con el uso de recipientes de recogida no adecuados, esto se tradujo en un peligro potencial para el personal de trabajo, porque no se habían esperado escapes semejantes. La experiencia del pasado muestra que, por razones de seguridad, es esencial tener en cuenta la formación de vapor al diseñar una instalación. Por lo tanto, es indispensable que los vasos de expansión estén correctamente dimensionados y que los componentes de seguridad sean apropiados para todas las condiciones de operación. Se desaconseja menospreciar la posibilidad de vaporización. En realidad, no surgieron problemas con respecto al mecanismo de apertura de las válvulas de seguridad de las instalaciones antiguas examinadas en el programa ZIP, a no ser que se considere un problema el hecho de que respondieran con mucha frecuencia. En algunos casos se intentó evitar el estancamiento y la evaporación del circuito mediante el uso de diversas estrategias a fin de disipar el calor sobrante, como hacer circular el fluido de trabajo caliente a través de un conjunto de radiadores. Todas estas medidas resultaron ser eficaces, pero con altos costes y, al añadir nuevos componentes al sistema, sujetas ellas mismas a riesgos de fallos y a la corrosión. Un controvertido método de emergencia para disipación de calor consiste en que el calor sobrante en el circuito primario se transfiere mediante un intercambiador de calor hacia el agua fría de la red que, después de haberse calentado, sale por las aguas residuales.

287

7. El circuito primario

Ejemplo: En una instalación de 50 m 2 provista de captadores de tubos de vacío se instaló tal sistema de disipación de calor. Tras haber sobrepasado una temperatura de 95 ºC en el circuito primario, se abrió una válvula termostática y el fluido se refrigeró por medio de agua fría pasando por un intercambiador de calor. El intercambiador de calor se dimensionó para una potencia térmica de 300 W por m 2 de área de captación. El caudal en la tubería de agua fría se ajustó para 81/min. En la tubería de agua fría se instaló además un contador de agua con fines de monitorización . En el marco del programa de investigación se observó que la válvula termostática reaccionó como era debido, pero no logró cerrarse posteriormente. Por esta razón , se produjo la disipación de mucha agua fría y de calor solar.

Hay que tener siempre muy presente que los suplementos añadidos al sistema con el fin de eliminar puntos débiles de éste no deben ocasionar ellos mismos nuevas deficiencias.

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8.1 Función y requi sitos

8. Acumuladores El dimensionado de los acumuladores térmicos ya fue tratado detalladamente en el capítulo 4, por lo que el presente capítulo tiene en cuenta otros aspectos importantes relativos a la acumulación .

8.1 Función y requisitos Los acumuladores cumplen la función de una «batería» que permite independizar el suministro de calor solar del consumo, puesto que el perfil temporal de la entrada de energía no suele corresponderse con el del consumo energético. El período de tiempo de acumulación varía entre unas pocas horas, días o en caso de acumulador estacional, hasta meses, y depende en gran parte de la aplicación (por ejemplo, calentamiento de piscinas, A.C.S. o calefacción}, y, además, de la fracción solar deseada . El objetivo que se persigue es acumular la energía solar disponible de la mejor forma durante períodos de escasa demanda, para después poder suministrar esa energía de la manera más eficaz cuando se necesite. Los requisitos que se exigen de un acumulador son los siguientes: • Alto calor específico del medio de acumulación. • Pérdidas térmicas bajas (pequeña superficie del acumulador y buen aislamiento). • Buena estratificación de temperaturas en el acumulador. • Vida útil de aproximadamente 25 años (en consonancia con la del sistema completo). • Bajos costes y fácil disponibilidad del medio de acumulación. • El medio de acumulación y el tanque deben poseer buenas propiedades medioambientales y de higiene (por ejemplo, ser materiales aptos para estar en contacto con agua sanitaria). • Debe ser capaz de soportar las presiones y temperaturas de trabajo previstas. Debido a su alto calor específico, al factor de no ser contaminante para el medio ambiente y a su disponibilidad, se elige por regla general agua normal como medio de acumulación. Para sistemas de A.C.S. es posible usar agua potable, y en caso de que se utilicen un acumulador de inercia y un intercambiador de calor (véase el capítulo 3}, se puede emplear agua del circuito de calefacción, no potable. Otros sistemas alternativos, como el acumulador de calor latente o el acumulador químico, han sido objeto de desarrollo experimental, y no

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8. Acumuladores

se describirán más adelante bajo ese aspecto. En ninguno de los sistemas estudiados se utilizaron otros medios de acumulación aparte del agua .

8.2 Tipos de acumuladores 8.2.1 Acumuladores de agua caliente sanitaria Los acumuladores de agua caliente sanitaria deben cumplir las normas de higiene exigidas por las normativas vigentes, como ya se ha explicado en detalle en el apartado 3.3. Además, el acumulador debe ser resistente a la corrosión , dada la presencia de oxígeno en el agua potable. Acumuladores de acero vitrificado El acero vitrificado se emplea con frecuencia para proteger los acumuladores contra la corrosión interior. El esmalte (un tipo de vidrio) se funde sobre el acero. Como es inevitable la aparición de pequeños defectos en el material , el esmalte contiene pequeñas partículas de magnesio u otros materiales anódicos a manera de protección catódica contra la corrosión . Los acumuladores de acero vitrificado se pueden fabricar fácil y económicamente, sin embargo, el acumulador debe protegerse contra impactos durante su transporte a fin de que la capa protectora no sufra daños. Acumuladores de acero revestidos de plástico Este tipo de protección anticorrosiva aba rea revestí m ientos de duroplásticos, termoplásticos, así como caucho, siendo estos revestimientos más económicos que el acero vitrificado, aunque se pone en duda su resistencia a largo plazo.

Los termoplásticos, en particular, están certificados solamente para una temperatura de 85 ºC y no deben ser expuestos a un gradiente térmico superior a los 10 K en la pared revestida. Esto hace, pues, inadecuado al termoplástico para usarse en acumuladores combinados, y los provistos de intercambiadores de calor internos. Acumuladores de acero inoxidable Los aceros inoxidables son relativamente inertes a la corrosión, debido a su alto contenido de níquel y cromo. Algunas de las marcas comunes de acero inoxidable son «Nirosta », «V2A » (acero de grado 1.4301 y 1.4541) y «V4A» (grado 1.4571). Sin embargo, las conexiones soldadas de acero inoxidable pueden llegar a corroerse ante altas concentraciones de cloro. Si se tienen en cuenta las concentraciones máximas de cloro permisibles (V2A: 50 mg/1 , V4A: 125 mg/ I), entonces el acero

290

8.2 Tipos de acumuladores

inoxidable resulta ser un material muy duradero, aunque más caro que cualquier material revestido de plástico o vitrificado. 8.2.2 Acumuladores de inercia Los acumuladores de inercia se utilizan en grandes sistemas solares destinados al calentamiento de agua sanitaria o al apoyo de la calefacción (véanse los apartados 3.3 y 3.4). Como estos sistemas requieren relativamente grandes volúmenes de acumulación, se suele separar el medio de acumulación del agua sanitaria, por motivos de higiene.

En caso de que el conjunto de los acumuladores y la tubería de conexión formen un circuito cerrado, o sea, que no haya entrada de oxígeno adicional en el circuito, se podrán rebajar considerablemente los requisitos propios de una protección anticorrosiva . Además, la presión de diseño del acumulador de inercia es mucho menor que en el caso de un acumulador de agua caliente sanitaria. Debido a estos dos factores, se justifica el reducido coste de un acumulador de inercia. Acumulador de inercia a ligera sobrepresión En un sistema cerrado con una ligera sobrepresión, se utilizan acumuladores de inercia fabricados con acero normal (por ejemplo, St 37). Estos se pueden usar sin prestarle especial cuidado a la corrosión, ya que el sistema se llena sólo una vez de agua y la sobrepresión impide la entrada de oxígeno. El agua empleada para el primer llenado debe descalcificarse cuidadosamente y filtrarse, a fin de evitar sedimentaciones en las bombas, válvulas, etc. Acumuladores de inercia abiertos Debido a su buena resistencia contra la corrosión , es apropiado el uso de materiales plásticos para los acumuladores de inercia en los sistemas de circuito abierto, no presurizados. Para este tipo de sistema se emplea un vaso de expansión abierto.

No se necesita válvula de seguridad, aunque las temperaturas admisibles de los materiales empleados han de tomarse en consideración . En sistemas de circulación forzada , éstos se pueden proteger utilizando un termostato, lo cual no es posible en las instalaciones por termosifón , por eso no se recomiendan materiales de plástico para estos casos. Acumuladores combinados Los acumuladores combinados «al baño maría » llevan dentro del acumulador de inercia un tanque de agua caliente sanitaria hecho de acero vitrificado o inoxidable. De este modo, el acumulador de A.C.S. puede ser de reducido volumen, incluso con grandes volúmenes de agua de calefacción en el acumulador de inercia. El calor en éste último se transmite a través de la pared del recipiente, y de esta manera no es necesario un intercambiador de calor adicional.

291

8. Acumuladores

Además del tipo «al baño maría» existen otros acumuladores combinados, como son los de calentamiento instantáneo. En este caso, el calentamiento del agua sanitaria se efectúa por medio de un intercambiador interno (un tubo liso o corrugado que pasa por todo el acumulador), o mediante un intercambiador de placas situado en el exterior, como un componente fijo del acumulador. El conjunto viene provisto de una bomba de caudal variable, un dispositivo estratificador de carga térmica y el control correspondiente.

Figura 8.1 A la izquierda, acumulador combinado tipo «al baño maría ». A la derecha, acumulador combinado de calentamiento instantáneo.

Acumuladores de almacenamiento estacionales Los acumuladores estacionales almacenan grandes cantidades de calor durante el verano, a fin de libe rarlas cuando se necesiten durante los períodos de calefacción en invierno. Esto exige volúmenes de acumulación muy grandes, de 10 m 3 a más de 100 m 3 para una casa individual (en Europa Central), o varios miles de metros cúbicos para un sistema de calefacción solar de distrito (véase el capítulo 4).

Los acumuladores de acero con un tamaño de varias decenas de metros cúbicos se pueden integrar en los edificios o colocarse bajo tierra /29/. Recientemente se han empleado acumuladores de plástico reforzado con fibras. Los grandes acumuladores para abastecer las redes de dist ribución de un sistema de calefacción de distrito son por lo general subterráneos. (Más información en /35/y /36/) .

292

8.3 Aislamiento del acumulador

8.3 Aislamiento del acumulador Las pérdidas térmicas de los acumuladores convencionales pueden ser considerables, por lo que a fin de mantener dichas pérdidas dentro de un margen razonable, se deben de tener en cuenta los siguientes requisitos: • Pequeña relación entre superficie y volumen. • Aislamiento estrechamente unido a la superficie exterior del acumulador. • Aislamiento completo del acumulador, inclusive en su superficie superior e inferior. • Buen aislamiento de todas las conexiones de tubería, vainas, etc. • La tubería debe llevarse al interior del acumulador desde la parte inferior o desde un lateral. • Evitar pérdidas térmicas a causa de circulación por convección natural dentro de las tuberías de conexión (siempre hay que dirigir las tuberías hacia abajo). Ejemplo: Un acumulador diseñado correctamente con un volumen de 300 litros y una temperatura de 45 ºC presenta unas pérdidas térmicas de alrededor de 1,5 kWh por día, mientras que, por otro lado, un acumulador con un mal aislamiento puede llegar a perder 2,5 kWh por día, lo que puede equivaler al aporte de 0,5 m 2 a 1 m 2 de superficie de captador. Por ello, es aconsejable tener muy en cuenta estas pérdidas térmicas en el momento de escoger un acumulador.

Para el aislamiento se utilizan materiales comunes (véase también el apartado 7.6). El uso de PVC no se recomienda .

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1

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Figura 8.2 Efecto de un buen aislamiento en las conexiones de entrada y salida de un acumulador (izquierda) y de un deficiente aislamiento de las mismas (derecha).

293

8. Acumuladores

8.4 Procesos de carga y descarga del acumulador 8.4.1 Carga Cuando se procede a cargar un acumulador, haciendo que agua caliente entre en el depósito, es muy importante que la estratificación térmica -es decir, agua fría en el fondo, agua caliente en la parte superior- se mantenga de la manera más estable posible, siendo deseable favorecer activamente la estratificación durante el proceso de carga . Para poder alcanzar este objetivo es necesario un acumulador relativamente alto y estrecho, aunque esto no sea lo óptimo en lo que respecta a las pérdidas térmicas.

La estratificación es útil. pues de este modo la temperatura de la parte superior del tanque es la máxima y los procesos de intercambio de calor son lo más eficaces posible. Sin estratificación, las temperaturas disponibles serán menores, y el sistema convencional se conectará con mayor frecuencia. La radiación solar, variable durante el día, conduce a fluctuaciones de temperaturas en la tubería de impulsión, en el caso de haber un caudal constante en el circuito primario. Por eso se hace más difícil una buena estratificación sin un dispositivo especial para el proceso de carga. De igual manera, es necesario que el proceso de descarga, o sea, el de extracción, no perturbe la estratificación.

Al consumo

A.C.S.

Figura 8.3 Proceso de carga y descarga de un acumulador de inercia sin dispositivo estratificador.

Acumuladores de inercia no estratificados con bombas no reguladas En los acumuladores sin dispositivo estratificador, la tubería caliente de entrada está conectada a la parte superior del tanque (figura 8.3), y la tubería fría de retorno se halla ubicada cerca del borde inferior. En caso de que fluctúe la radiación solar incidente en el captador, también lo hará la temperatura de entrada . Aunque el agua que entra finalmente encuentra su capa o estrato térmico adecuado en el acumulador, se producen movimientos verticales considerables (e indeseados)

294

8.4 Procesos de carga y descarga del acumulador

e intercambios de calor, que dan como resultado una temperatura menor, debido a la mezcla que se produce. Aunque el movimiento vertical no suele afectar al estrato frío en el fondo del acumulador, esto sucede sólo si el agua que regresa del intercambiador de descarga está lo suficientemente fría . De otra manera, por ejemplo si hay un consumo que provoca temperaturas variables en el retorno, deberá utili zarse un dispositivo estratificador para introducir el agua que regresa del intercambiador de descarga en el acumulador, con el fin de no perturbar la estratificación. Una perturbación de la estratificación en el acumulador puede tener las siguientes consecuencias : • El agua con la temperatura más alta no se mantiene en la parte superior del acumulador y, por tal razón, no queda disponible para la extracción. • La zona de mezcla con temperaturas medias aumenta. • El rendimiento de la acumulación se reduce, y aun cuando el captador pueda suministrar suficiente energía, el sistema convencional suele tener que efectuar también aportación, para aumentar así la temperatura del A.C.S. Una zona extensa de mezcla representa una desventaja, puesto que la temperatura deseada no puede alcanzarse, y por ende el sistema convencional debe responder para compensar la diferencia entre la temperatura reducida en la parte superior del acumulador y la temperatura necesaria para el consumo de agua caliente. Físicamente, en caso de una perturbación en la estratificación, no se produce pérdida de energía, pero sí se genera una reducción de la calidad de la energía suministrada (exergía}, lo que conduce igualmente a un aumento de la entropía. Como esto significa que la caldera tiene que trabajar a carga parcial y más frecuentemente de lo necesario, puede aumentar ligeramente el consumo de energía convencional en comparación con un acumulador muy bien estratificado. Esto implica una leve disminución de la fracción solar, aunque no haya habido menos suministro de energía solar. En particular, es importante una buena estratificación de temperaturas para los sistemas de apoyo de calefacción o de redes de distribución, las cuales necesitan temperaturas mínimas bastante altas, superiores a la temperatura de retorno, para poder utilizar la energía solar acumulada . Las instalaciones destinadas al calentamiento de agua sanitaria son menos críticas en este aspecto, debido a que sólo es necesario un valor relativamente cercano a la temperatura del agua fría . Una mezcla en la parte superior del acumulador suele únicamente ocasionar un aumento muy pequeño de la temperatura en el fondo y, por consiguiente, en el circuito primario, causando de esta manera so-

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8. Acumuladores

lamente una pequeña reducción del rendimiento. Por el contrario, cualquier mezcla en el fondo del acumulador, debido al agua caliente que entra a través del intercambiador de descarga, es más crítica. La parte inferior del acumulador se calienta más de lo necesario y la temperatura en el retorno del circuito primario aumenta, de manera tal que se reducen tanto el rendimiento como la cantidad de la energía solar útil. Frecuentemente, se pasa por alto la necesidad de realizar el proceso de carga estratificada de la tubería de retorno del intercambiador de descarga, aun cuando sea indispensable para un buen rendimiento en los sistemas con retornos a diferentes temperaturas, o los que presentan fluctuaciones de temperaturas considerables. De igual modo que en los sistemas de calefacción ordinarios, los programas de simulación cuyos algoritmos internos no consideren el efecto de la estratificación son de limitada aplicación en estos casos. En instalaciones solares exclusivamente para A.C.S. con una fracción solar reducida y con acumuladores relativamente pequeños, no representa una gran ventaja el dispositivo de carga estratificada, ya que en estos sistemas el proceso de carga estratificada sólo es necesario si después de haber tomado alguna otra medida para controlar la descarga, aún no se ha logrado que se enfríe suficientemente el retorno proveniente del intercambiador de descarga. Acumuladores de inercia estratificados con bombas de caudal variable («matched-flow») Una instalación, como la mostrada en la figura 8.3, puede estar equipada con una bomba de caudal variable en el circuito primario. La velocidad de la bomba sólo se reduce cuando hay una disminución de la radiación solar, o sea, cuando la diferencia de temperaturas entre la impulsión y el retorno presenta un valor por debajo del especificado (por ejemplo, 4 K) . De este modo, el fluido en el circuito primario tarda más en efectuar un recorrido completo por el circuito, teniendo así más tiempo para calentarse en los captadores, evitándose la entrada del líquido insuficientemente calentado en el acumulador de inercia.

No obstante, la zona operacional de las bombas para los sistemas de flujo ajustado («matched flow») tiene su límite, alcanzándose éste durante períodos de baja irradiancia si, al mismo tiempo, la diferencia de temperaturas entre la parte superior e inferior del acumulador está en su valor máximo.

296

8.4 Procesos de carga y descarga del acumulador

Acumuladores de inercia con conexiones a diferentes alturas Con el propósito de favorecer la formación de la estratificación térmica, se pueden emplear varias conexiones a diferentes alturas. Un ejemplo con dos conexiones controladas por válvulas de tres vías se muestra en la figura 8.4. Si el agua proveniente del intercambiador de carga está más caliente que en el punto de medida (entre ambas conexiones), se abre entonces la válvula en dirección a la conexión superior. Por el contrario, la válvula se abre hacia la conexión inferior si el agua que entra está más fría que la obtenida en el lugar de medida. En vez de usar una válvula de tres vías se podrían igualmente conectar bombas que se pongan en marcha independientemente (una para cada conexión).

Al consumo A.C.S.

Figura 8.4 Proceso de carga estratificada con dos conexiones a diferentes alturas.

Cuanto mayor sea el número de conexiones separadas que se integran en el acumulador, mayor será el gasto invertido para el control y también mayor será la probabilidad de fallos. Un gran número de conexiones, de intercambiadores de calor, bombas, válvulas de accionamiento eléctrico y otros dispositivos, pueden contribuir a un leve aumento del rendimiento, aunque la relación entre los costes y el aporte de energía adicional deberá siempre sopesarse. Acumuladores de inercia con tubos estratificadores Estos dispositivos estratificadores inducen formación automática de los estratos térmicos en el interior del acumulador.

En el acumulador «Stratos», de la compañía alemana SOLVIS, el agua caliente de entrada se conduce a través de tubos de polietileno con un cierto número de salidas con membranas dispuestas verticalmente, los denominados «tubos estratificadores». En el caso de que el agua esté más caliente que el fluido de alrededor, tendrá una densidad y una presión más bajas, de manera que las salidas permanecen cerradas. Si la temperatura dentro y alrededor del tubo es la misma, la salida se abre y el agua sale directamente hacia el interior del estrato térmico apropiado (figura 8.5).

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8. Acumuladores

Figura 8. 5 Funcionamiento del tubo estratificad ar de SOL VIS (el agua que sale se muestra coloreada}.

El caudal que puede circular por un tubo estratificador es limitado, ya que si éste aumenta demasiado, existe la posibilidad de que se abran también las salidas que no corresponden, de modo que el efecto de estratificación se perdería, pudiéndose producir una disminución del rendimiento. El caudal por cada tubo estratificador de este fabricante está limitado a 1000 l/h cuando alrededor del 70 % del agua se halla depositada en el estrato correcto. Con un caudal de 700 l/h se lleva a cabo la inyección con casi el 100 % en el estrato térmico correcto. Por eso, para instalaciones de mayor tamaño, se necesita un determinado número de tubos estratificadores conectados en paralelo. Un conexionado paralelo de varios acumuladores con un tubo estratificador en cada uno no se recomienda, ya que podría afectar a la uniformidad del proceso de carga y descarga (véase también el apartado 8.5). Se ha demostrado que la utilización de tubos estratificadores favorece la producción rápida de altas temperaturas, especialmente en instalaciones de tamaño medio con alta fracción solar. Se ha podido asimismo observar un aumento marginal del rendimiento solar en aquellos casos en los que el sistema venía provisto de un control cuidadosamente ajustado. En las instalaciones solares con pequeña fracción solar, los dispositivos de estratificación acarrearían para el acumulador un aumento de costes de un 15 % a un 20 %, lo que no se justifica con sólo considerar el ahorro a largo plazo obtenido con respecto al consumo de combustible del sistema convencional. 8.4.2 Descarga La descarga de los acumuladores de agua sanitaria se efectúa automáticamente al extraer el agua caliente. Por otro lado, si se emplean acumuladores de inercia, existe entonces un intercambiador de calor

298

8.5 División del volumen de acumulación . Interconexión de acumuladores

adicional que separa el acumulador del agua sanitaria. Esto exige un control especial de la descarga (véase el apartado 10.3).

Del circuito primario

Figura 8.6 Principio del proceso de descarga del acumulador de inercia. {No se muestra el sist ema convencional}.

El acumulador de inercia se descarga por medio de una bomba denominada de descarga. Mientras que el agua en el acumulador puede llegar a alcanzar una temperatura bastante alta (hasta 95 ºC), la temperatura en el intercambiador de descarga no debe sobrepasar los 65 ºC, con el fin de evitar que el agua sanitaria se calcifique en el lado de consumo del intercambiador. Para conseguir esto, se necesita una válvula mezcladora provista de un control de limitación de temperatura, la cual sirve para mezclar las aguas que provienen de las tuberías frías y calientes, no siendo esto necesario si el agua sanitaria ya estuviera lo suficientemente descalcificada . 8.4.3 Integración de tuberías de recirculación Indicaciones detalladas sobre la integración de tuberías de recirculación quedaron ya reflejadas en el apartado 3.4.3.

8.5 División del volumen de acumulación. Interconexión de acumuladores Lo ideal sería disponer de todo el volumen de acumulación en un solo acumulador estrecho en posición vertical. Si no es posible la integración de un acumulador grande en el edificio, merece la pena considerar las alternativas de un modelo construido y soldado in situ (por ejemplo, en el sótano) o ubicado en el exterior. Un acumulador construido ex presamente y de gran volumen no debe costar en total más que un conjunto de acumuladores pequeños, a pesar de los costes rela-

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8. Acumuladores

tivos a la soldadura in situ y al aumento del aislamiento, o a la protección contra la intemperie en caso de que se coloque al aire libre. Los acumuladores horizontales no son, debido a la mala estratificación de temperaturas, adecuados para sistemas de bajo flujo, a menos que el volumen total se halle dividido en, aproximadamente, tres tanques conectados en serie, en los cuales se logra obtener una estratificación forzada y, en caso necesario, con válvulas anti-retorno en las tuberías de conexión. A pesar de todo, podrá utilizarse, por regla general, un conjunto de volúmenes de acumulación pequeños conectados entre sí, aunque no se recomiendan más de cuatro. La cuestión es ahora si hay que conectar estos acumuladores en serie o en paralelo. La figura 8.7 representa un diagrama simplificado de ambos tipos de conexionado y de la colocación de los sensores para controlar los procesos de carga y descarga. El esquema de retorno invertido, recomendado para conexión paralela, ha sido omitido por razones de simplicidad. No obstante, este tipo de conexionado no resuelve completamente el problema del caudal no uniforme, a no ser que se tomen otras medidas, como se describe más adelante. En serie

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