Circuito hidráulico en un sistema de energía solar domiciliario

Continuando con el desarrollo del caso de dotar de un sistema de calentamiento de agua por energía solar a una vivienda unifamiliar, presentamos los cálculos necesarios para instalar las tuberías, los cálculos para la bomba de circulación, el vaso de expansión y purgadores y desaireadores.

Continuando con el desarrollo de dotar de un sistema de calentamiento de agua por energía solar a una vivienda unifamiliar, que empezamos en un artículo anterior, necesitamos saber, en base a esos datos, los cálculos necesarios para instalar ciertos elementos indispensables para el funcionamiento del sistema. Para abarcar este tema contemplaré tres cosas fundamentales: el diseño de tuberías, los cálculos para la bomba de circulación, el vaso de expansión y purgadores y desaireadores.

Componentes principales del Sistema

Las tuberías.

Para la puesta en funcionamiento del sistema es necesario emplear tuberías de cobre, tanto en el circuito primario como en el secundario. Dichas tuberías deben contemplar la norma UNE 37.141.76, deberán ser de diámetro 22 y observar las siguientes características:

Diámetro exterior = 22 mm.
Diámetro interior = 20 mm.
Espesor de pares = 1 mm.
Peso lineal = 0.587 kg/m.
Superficie pared exterior = 691 cm2 /m.
Sección interior = 314 mm2.
Capacidad = 0.314 l/m.
Resistencia útil = 44 Kp/cm2.
Resistencia a la rotura = 220 Kp/cm2.

Asimismo si deseamos calcular nosotros mismo el diámetro de la tubería podemos aplicar la siguiente fórmula:

D = j x C elevado a 035

Donde:
D = diámetro en cm.
C: caudal en m3/h.
j = 2.2 para tuberías metálicas.

Sin embargo para proceder a la aplicación de esta expresión debemos calcular el caudal, dicho dato lo podemos obtener del manual del fabricante de los paneles.


Asimismo el circuito hidráulico debe cumplir con algunas condiciones que aseguren su eficiente y buen funcionamiento, ellas son las siguientes:

Las tuberías deben trazarse con retorno invertido, ello garantizará que el caudal se distribuya uniformemente entre los captadores.
Instalar una bomba de circulación en línea, en la zona más fría del circuito y en un tramo de tubería vertical.
El vaso de expansión de conectará a la aspiración de la bomba.
El circuito irá provisto de válvulas de seguridad que cumplan las condiciones de presión, de tal forme que garanticen que en cualquier punto del circuito no se superará la presión máxima de trabajo de los componentes.
Se colocarán sistemas o llaves anti retorno, de tal manera que se evitará la circulación inversa, protegiendo la entrada de agua fría del acumulador solar.
El circuito incorporará un sistema de llenado manual que permitirá llenar y mantener presurizado el mismo.
Se montarán válvulas de corte para facilitar la sustitución o reparación de componentes sin necesidad de realizar el vaciado completo de la instalación. Estas válvulas independizarán baterías de captadores, intercambiador de calor, acumulador y bomba.
Se instalarán válvulas de corte a la entrada de agua fría y salida de agua caliente del depósito de acumulación solar y válvulas adicionales que permitan el vaciado total o parcial de la instalación.
En cada zona de la batería de captadores en la que se hayan situado válvulas de corte se instalarán válvulas de seguridad.
En los puntos altos de la salida de baterías de captadores se colocarán sistemas de purga constituidos por botellines de desaireación y purgador manual o automático.
En el trazado del circuito se evitan en lo posible los sifones invertidos y rutas tortuosas que faciliten el desplazamiento del aire atrapado hacia los puntos altos de la instalación.
Los trazados horizontales de tubería tendrán siempre una pendiente mínima del 1 % en el sentido de la circulación.
Las tuberías y accesorios se aislarán y protegerán con materiales que cumplan las normas especificadas.

Esquema de un sistema hidraúlico

Bomba de circulación

Para calcular la potencia aproximada de la bomba necesaria hacemos uso de la siguiente expresión:

P = C x variación de p

Donde:
P: Potencia eléctrica
C: Caudal
Variación de p: Pérdida de carga de la instalación.

Hay que tener en cuenta los datos del fabricante en cuanto a pérdida de carga producida en los colectores y en el intercambiador de calor. En el caso de los  colectores que hemos considerado para este caso, el fabricante nos proporciona el dato de 275 mm CA a 20ºC con caudal recomendado; asimismo para el intercambiador de calor tenemos una pérdida de carga de 1 m CA con ambos datos se calcula la pérdida de carga total y el caudal total con lo cual puede procederse a deducir la potencia teórica para la electrobomba que será de 4W pero si consideramos que el rendimiento del electrocirculador será del 25 %, tendremos una potencia nominal de 16W.

Entre las tomas de aspiración e impulsión del electrocirculador se colocará un manómetro con dos válvulas de cierre (manómetro en by-pass) con el fin de poder medir la pérdida de carga del circuito y, con la ayuda de la curva característica facilitada por el fabricante, podemos obtener de forma aproximada el caudal circulante por el circuito.

Vaso de expansión.

Para dimensionar el vaso de expansión del sistema emplearemos la siguiente fórmula:

V = Vt (0.2 + 0.01h)

Donde:
V = capacidad del vaso de expansión.
Vt = capacidad total del circuito primario.
h = diferencia de altura en metros entre el punto más alto y del campo de colectores y el depósito de expansión.

El siguiente paso es calcular de forma aproximada la capacidad total del circuito primario, los datos a tomar en cuenta son los 20 mts de tubería con un diámetro interior de 20 mm, la capacidad de los tres colectores, y la capacidad del intercambiador de calor integrado en el depósito.

Aplicando las fórmulas obtenemos los siguientes datos:

Volumen de tuberías = 6.3 litros.
Volumen de los colectores = 7.2 litros.
Para el volumen del intercambiador se tomará como dato el valor de 10.

Teniendo en cuenta todo lo anterior resulta un volumen total en el circuito primario de unos 24 litros, con una diferencia de alturas entre el punto más alto de los colectores y el vaso de expansión de unos dos metros. El volumen del depósito será en este caso de entre 5.28 y 6 litros.

Purgadores y desaireadores.

Se dispondrá de un sistema de purga en la batería de colectores. El volumen útil del botellín de desaireación será de 15 cm3 por m2 de colector, lo que en nuestro caso equivale a un volumen útil de unos 90 cm3.

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