¿Cómo funcionan los calentadores de agua indirectos?

Los sistemas de agua caliente sanitaria se encuentran entre los electrodomésticos más importantes y básicos que requiere la sociedad moderna. Hay muchas configuraciones de sistemas de ACS disponibles, cada una de las cuales ofrece características de rendimiento únicas, y también hay varias fuentes de calor. Independientemente de la configuración del sistema, la eficiencia energética es un aspecto importante a considerar: los calentadores de mayor eficiencia tienen un precio más alto, pero el costo adicional se recupera muchas veces durante su vida útil en forma de ahorro de energía.

La siguiente tabla resume los tipos más comunes de sistemas de agua caliente sanitaria. Este artículo se centrará en el último tipo: serpentín sin tanque y calentadores de agua indirectos.

Tipo de sistema de ACS

Descripción

Calentadores de agua de almacenamiento convencionales

Utiliza un depósito (tanque de almacenamiento) que se llena con agua caliente para abastecerlo cuando sea necesario.

Calentadores de agua sin tanque o de demanda

Calienta el agua directamente a medida que fluye a través de la unidad, sin usar un tanque de almacenamiento.

Calentadores de agua con bomba de calor

Utiliza un ciclo de refrigeración inverso para calentar agua. El calor se obtiene del aire exterior o del agua subterránea y se suministra al agua utilizada por los aparatos de plomería.

Calentador de agua solar

Utiliza un colector solar para calentar agua, sin consumir combustible ni electricidad. Dependiendo de la elevación del techo, puede haber un pequeño costo de bombeo.

Calentadores de agua indirectos y de bobina sin tanque

Utiliza el sistema de calefacción de habitaciones para el sistema de agua caliente sanitaria.

¿Cuáles son las configuraciones de sistemas de ACS más comunes?

En lo que respecta al calentamiento de agua comercial (edificios de apartamentos, restaurantes, hoteles, etc.), el 99% de las veces verá una de las dos configuraciones comunes en la sala de calderas:

  • El primero es lo que llamamos una configuración estándar de calentador de agua tipo tanque. Contiene un calentador de agua comercial grande o varios calentadores de agua más pequeños, del tamaño apropiado para la aplicación respectiva.
  • La segunda configuración típica es una caldera (agua o vapor) que trabaja en conjunto con un intercambiador de calor y un tanque de agua caliente, comúnmente conocido como un sistema de calentador de agua indirecto. En este sistema, la caldera comercial proporciona calefacción para el aire en el edificio, mientras que también proporciona agua caliente para los grifos y accesorios del edificio a través del intercambiador de calor. Los calentadores de agua indirectos funcionan de manera más eficiente durante los meses fríos cuando el sistema de calefacción se usa con regularidad; por otro lado, la caldera de calefacción de espacios se ve obligada a funcionar a carga parcial siempre que se requiera agua caliente durante los meses de verano.

Los sistemas de calentadores de agua indirectos pueden encenderse con gas natural, aceite, propano o electricidad (cualquier fuente de calor que utilice la caldera de calefacción de espacios). Un calentador de agua indirecto también puede complementar un colector solar, proporcionando cualquier calefacción adicional que no se pueda suministrar únicamente con radiación solar. La eficiencia de los calentadores de agua de fuego indirecto depende principalmente de dos factores: la efectividad del aislamiento del tanque y la eficiencia de la caldera a la que está conectado.

Principio de funcionamiento de los calentadores de agua indirectos

Los calentadores de agua indirectos aprovechan una caldera de calefacción de espacios que ya está funcionando para mantener su edificio caliente. El depósito de agua indirecto se encuentra junto a la caldera, conectado a través de un circuito de agua cerrado que discurre entre ambos equipos. Cuando la tubería ingresa al tanque de agua indirecto, se retuerce como una bobina para maximizar el área de transferencia de calor y luego vuelve a salir. Por lo tanto, el agua caliente viaja desde la caldera, a través de la tubería enrollada en el tanque indirecto, y regresa a la caldera. Este proceso continúa hasta que el agua en el tanque alcanza la temperatura requerida y se puede suministrar a los accesorios de plomería.

Subtipos de sistemas indirectos de calentamiento de agua

Los sistemas de calentamiento indirecto de agua se pueden clasificar en tres subtipos, dependiendo de cómo manejen el agua que fluye a través de ellos.

  • Los sistemas de tanque de almacenamiento son similares a los calentadores de agua convencionales en el uso de tanque de agua caliente. Sin embargo, en lugar de mantener alta la temperatura del tanque con una fuente de calor directa, el agua circula constantemente entre el tanque y el intercambiador de calor. Estos sistemas son los más adecuados para aplicaciones donde se consumen grandes volúmenes de agua, pero donde la demanda es intermitente.
  • Sistemas sin tanque son más adecuados para aplicaciones donde la demanda de agua caliente es constante durante largos períodos de tiempo y no es necesario mantener el tanque lleno. Dado que se elimina el tanque de almacenamiento, esta configuración del sistema es más asequible, por lo que debe considerarse siempre que sea posible.
  • Los sistemas híbridos de tanque y sin tanque son adecuados cuando el mismo edificio requiere dos temperaturas de agua diferentes para aplicaciones separadas. Se puede usar un sistema de tanque de almacenamiento para suministrar agua a una temperatura, mientras que el agua del tanque se recircula a través del calentador sin tanque para suministrarla a una temperatura aún más alta.

Dimensionamiento de un calentador de agua indirecto

Para dimensionar un calentador de agua indirecto, es importante determinar la demanda de agua caliente y cómo cambia por hora. La demanda total determina la capacidad requerida del calentador de agua indirecto, mientras que el comportamiento horario determina si tiene sentido utilizar varias unidades. Si hay ciertas horas en las que la demanda de agua caliente es especialmente alta, la capacidad total del calentador requerida puede ser excesiva. En estos casos, tiene sentido usar un tanque de agua caliente y llenarlo antes de las horas pico, reduciendo así la capacidad requerida del calentador. En lugar de usar un calentador grande y costoso que solo funciona durante las horas pico, tiene más sentido llenar un tanque de almacenamiento con suficiente agua caliente por adelantado, usando unidades más pequeñas.

Fórmula de dimensionamiento para la entrada de calor

Para calcular la salida de calor de un calentador de agua indirecto, se requieren los siguientes datos:

  • Temperatura requerida del agua caliente (° F)
  • Temperatura del agua de suministro (° F)
  • Tasa de flujo (gpm)

Una vez que la fecha anterior está disponible, se utiliza la siguiente fórmula:

  • Salida de calor (BTU / h) = Aumento de temperatura (° F) x Tasa de flujo (gpm) x Calor específico (BTU / gal ° F)

Como ejemplo, suponga los siguientes datos:

  • Temperatura requerida = 140 ° F
  • Temperatura de suministro = 40 ° F
  • Tasa de flujo = 300 gpm
  • Calor específico = 8.33 BTU / gal ° F

Teniendo en cuenta los datos anteriores, la entrada de calor requerida para el agua es:

  • Salida de calor = 100 ° F x 300 gpm x 8.33 BTU / gal ° F = 249,900 BTU / h

Sin embargo, este es el calor suministrado al agua. Dado que ningún sistema es perfecto, es necesario tener en cuenta la eficiencia del calentador de agua indirecto. Suponiendo una eficiencia del sistema del 80%,

  • Entrada de calor = Salida de calor / eficiencia = 249900 BTU / h / 0,80
  • Entrada de calor = 312,375 BTU / h

Dimensionamiento de un tanque de expansión

El suministro de agua fría al calentador indirecto puede contener una válvula de retención, una válvula reductora de presión o un dispositivo de prevención de reflujo, creando un «sistema cerrado». A medida que el agua calentada se expande, aumenta la presión en el sistema cerrado y esto puede hacer que la válvula de alivio de T&P (temperatura y presión) gotee o descargue agua. Para evitar esto, se debe instalar un tanque de expansión en la línea de suministro de agua fría. Dimensione el tanque de expansión al 10% de la capacidad del calentador de agua, o de acuerdo con las recomendaciones del fabricante.

Beneficios indirectos del calentador de agua

Si ya tiene una caldera grande en funcionamiento, agregar un calentador de agua indirecto para establecer un sistema combinado es una opción viable a considerar.

  1. Un tanque indirecto es una adición bastante económica.
  2. Los tanques indirectos no requieren una fuente adicional de combustible.
  3. Los tanques indirectos tienden a durar más que los calentadores de agua a gas de tipo tanque estándar.

Los calentadores de agua convencionales sufren un deterioro más rápido porque están expuestos directamente a una llama en el fondo del tanque. Además, también deben manejar gases de combustión. La exposición frecuente a altas temperaturas causa expansión y contracción, y tensión mecánica en las uniones soldadas. Eventualmente, las costuras soldadas comienzan a agrietarse y es entonces cuando se requiere un reemplazo.

Con un tanque indirecto, la diferencia de temperatura es mucho menor. La tubería con agua caliente de la caldera calienta rápidamente el agua en el tanque indirecto, mientras que el agua en el calentador de tipo tanque estándar tarda más en calentarse y está expuesta a temperaturas extremas más drásticas. Con una tubería enrollada dentro de un tanque indirecto, no hay expansión térmica frecuente, lo que reduce la tensión mecánica en el tanque como resultado. Menos estrés en el tanque significa reemplazos menos frecuentes y eso es más dinero que permanece en su bolsillo.

Puntos a considerar para calentadores de agua indirectos

Cualquiera que sea el sistema de calentamiento de agua que elija, siempre habrá diferentes costos a considerar. Cuando opta por un sistema combinado, incluso si la caldera ya está instalada en su edificio, debe asumir el costo de tuberías y bombas adicionales, más la electricidad para hacer funcionar esas bombas, además del tanque indirecto en sí. Sin embargo, después de la inversión inicial, el sistema de combinación debería durar bastante.

Agua indirecta los calentadores también adolecen de falta de redundancia. Si su caldera está averiada, pierde tanto la calefacción de habitaciones como el agua caliente sanitaria. El funcionamiento en verano también es muy ineficiente, ya que la caldera no proporciona calefacción y debe funcionar a solo una fracción de su capacidad total. Idealmente, la caldera debería poder funcionar a carga parcial durante el verano; asegúrese de que no esté configurada al 100% de salida cuando solo esté presente la carga de agua caliente sanitaria.

Si administra una propiedad comercial y está tratando de decidir entre sistemas combinados o separados para calefacción de espacios y agua caliente sanitaria, nuestra mejor recomendación es obtener asesoramiento profesional. Solo un experto puede analizar sus cargas de calefacción con precisión para ayudar a determinar qué configuración es la más adecuada para su aplicación.