Cálculo de un sistema de calefacción monotubo: qué considerar en el cálculo + ejemplo práctico

Un sistema de calefacción monotubo es una de las soluciones para el trazado de tuberías en el interior de edificios con conexión de dispositivos de calefacción. Este esquema parece ser el más simple y eficiente. La construcción de una rama de calefacción según la variante de «una sola tubería» resulta más económica para los propietarios que otros métodos.

Para garantizar el funcionamiento del esquema, es necesario realizar un cálculo preliminar del sistema de calefacción monotubo – esto permitirá mantener la temperatura adecuada en la casa y prevenir la pérdida de presión en la red. Es completamente posible manejar esta tarea por sí mismo. ¿Duda de sus capacidades?

Le explicaremos cuáles son las características del diseño de un sistema monotubo, daremos ejemplos de esquemas de trabajo, y explicaremos qué cálculos se deben realizar obligatoriamente en la etapa de planificación del circuito de calefacción.

Diseño de un esquema de calefacción monotubo

La estabilidad hidráulica del sistema se garantiza tradicionalmente mediante la selección óptima del diámetro nominal de las tuberías (Dnom). Es bastante sencillo implementar un esquema estable mediante la selección de diámetros, sin necesidad de ajuste previo de los sistemas de calefacción con termorreguladores.

Es precisamente a este tipo de sistemas de calefacción a los que se refiere directamente el esquema monotubo con montaje vertical/horizontal de radiadores y con la total ausencia de válvulas de cierre y regulación en las columnas (ramificaciones a los aparatos).

Ejemplo ilustrativo de la instalación de un elemento radiador en un esquema organizado según el principio de circulación por una sola tubería. En este caso se utilizan tuberías de metal-plástico con accesorios metálicos.

Mediante el método de cambio de diámetros de las tuberías en el esquema de calefacción monotubo en anillo, se pueden equilibrar con bastante precisión las pérdidas de presión existentes. El control de los flujos de fluido caloportador dentro de cada aparato de calefacción individual lo proporciona la instalación de un termostato.

Normalmente, en el proceso de diseño de un sistema de calefacción según un esquema monotubo, en la primera etapa se construyen los nodos de conexión de los radiadores. En la segunda etapa se realiza el ajuste de los circuitos de circulación.

Solución de esquema clásico, donde se utiliza una sola tubería para el flujo del fluido caloportador y la distribución de agua a los radiadores térmicos. Este esquema es uno de los más simples (+)

El diseño del nudo de conexión de un dispositivo individual implica determinar las pérdidas de presión en el nudo. Se realiza el cálculo teniendo en cuenta la distribución uniforme del flujo del refrigerante por el termostato con respecto a los puntos de conexión en este tramo del circuito.

En el marco de la misma operación, se realiza el cálculo del coeficiente de reflujo, además de la determinación del rango de parámetros de distribución de caudales en el tramo de cierre. Basándose en el rango calculado de ramales, se construye el anillo de circulación.

Ajuste de los circuitos de circulación

Para realizar correctamente el ajuste de los anillos de circulación de un sistema monotubo, previamente se realiza un cálculo de las posibles pérdidas de presión (∆Ro). En esto no se tienen en cuenta las pérdidas de presión en la válvula de regulación (∆Rk).

A continuación, según el valor del caudal del refrigerante en el tramo final del anillo de circulación y el valor de ∆Rk (gráfico en la documentación técnica del dispositivo), se determina el valor de ajuste de la válvula de regulación.

Este mismo indicador se puede determinar mediante la fórmula:

Kv=0,316G / √∆Rk,

donde:

• Kv – valor de ajuste;
• G – caudal del refrigerante;
• ∆Rk – pérdidas de presión en la válvula de regulación.

Cálculos similares se realizan para cada válvula de regulación individual del sistema monotubo.

Sin embargo, el rango de pérdidas de presión en cada RV se calcula mediante la fórmula:

∆Rko=∆Ro + ∆Rk – ∆Rn,

donde:

• ∆Ro – posibles pérdidas de presión;
• ∆Rk – pérdidas de presión en RV;
• ∆Rn – pérdidas de presión en el tramo n del anillo de circulación (sin considerar las pérdidas en RV).

Si como resultado de los cálculos no se obtuvieron los valores necesarios para el sistema monotubo de calefacción en su conjunto, se recomienda aplicar una variante del sistema monotubo que incluya reguladores automáticos de caudal.

Regulador automático de caudal instalado en la línea de retorno del refrigerante. El dispositivo regula el caudal total del refrigerante para todo el sistema monotubo.

Dispositivos como los reguladores automáticos se montan en los tramos finales del circuito (nudos de conexión en montantes, ramales de derivación) en los puntos de conexión a la línea de retorno.

Si se modifica técnicamente la configuración del regulador automático (intercambiando la llave de drenaje y el tapón), la instalación de los dispositivos también es posible en las líneas de suministro del refrigerante.

Mediante los reguladores automáticos de caudal se realiza el ajuste de los anillos de circulación. Al mismo tiempo, se determinan las pérdidas de presión ∆Rs en los tramos finales (montantes, ramales de los dispositivos).

Las pérdidas de presión residuales dentro del anillo de circulación se distribuyen entre los tramos comunes de tuberías (∆Rmr) y el regulador general de caudal (∆Rr).

El valor del ajuste temporal del regulador general se selecciona según los gráficos presentados en la documentación técnica, teniendo en cuenta ∆Rmr de los tramos finales.

Las pérdidas de presión en los tramos finales se calculan con la fórmula:

∆Rs=∆Rpp – ∆Rmr – ∆Rr

donde:

• ∆Rr – valor calculado;
• ∆Rpp – diferencia de presión establecida;
• ∆Rmr – pérdidas de Rrab en tramos de tuberías;
• ∆Rr – pérdidas de Rrab en el RV general.

El ajuste del regulador automático del anillo de circulación principal (en condición de que inicialmente no se haya especificado la diferencia de presiones) se realiza teniendo en cuenta la configuración del valor mínimo posible dentro del rango de ajuste indicado en la documentación técnica del dispositivo.

La calidad de la controlabilidad de los flujos mediante la automática del regulador general se controla por la diferencia de pérdidas de presión en cada regulador individual de la columna o del ramal de aparatos.

Aplicación y justificación económica

La ausencia de requisitos sobre la temperatura del refrigerante enfriado es el punto de partida para el diseño de sistemas de calefacción monotubo con termorreguladores y la instalación de TR en las líneas de suministro de los radiadores. Además, es obligatorio equipar el punto térmico con regulación automática.

Termostato instalado en la línea que suministra el fluido caloportador al radiador de calefacción. Para el montaje se utilizaron accesorios metálicos, que son convenientes para trabajar con tuberías de polipropileno.

Las soluciones de diseño donde no hay dispositivos termorreguladores en las líneas de suministro de los radiadores también se utilizan en la práctica. Pero la aplicación de dichos esquemas está condicionada por prioridades algo diferentes para garantizar el microclima.

Por lo general, los esquemas monotubo sin regulación automática se aplican a grupos de locales diseñados para compensar las pérdidas térmicas (50% o más) mediante dispositivos adicionales: ventilación de suministro, aire acondicionado, calefacción eléctrica.

Además, la disposición de sistemas monotubo se encuentra en proyectos donde las normativas permiten una temperatura del portador de calor que supera el valor límite del rango de trabajo del termorregulador.

Proyectos de edificios de apartamentos donde la operación del sistema de calefacción está vinculada a la medición del calor consumido mediante contadores, generalmente se configura según un esquema perimetral de un solo tubo.

Esquema perimetral de un solo tubo – una especie de «clásico del género», que se aplica a menudo en la práctica de la construcción municipal y privada. Se considera simple y económica para diferentes condiciones (+)

La ubicación de los conductos principales en diferentes puntos de la estructura debe estar sujeta a una justificación económica para la implementación de dicho esquema.

Los criterios principales de cálculo son el coste de los dos materiales principales: tubos de calefacción y accesorios.

Según ejemplos prácticos de implementación de un sistema perimetral monotubo, el aumento del diámetro nominal (DN) de la sección de paso de las tuberías al doble conlleva un aumento de los costos de compra de tuberías en 2-3 veces. Y los costos de los accesorios aumentan hasta 10 veces dependiendo del material del que estén hechos.

Base de cálculo para la instalación

El montaje del esquema monotubo, desde el punto de vista de la ubicación de los elementos de trabajo, prácticamente no difiere del diseño de los mismos sistemas bitubo. Las columnas principales, por lo general, se colocan fuera de las viviendas.

Las normas SNiP recomiendan tender las columnas dentro de conductos o canales especiales. El ramal de la vivienda se construye tradicionalmente en el perímetro.

Ejemplo de colocación de tuberías del sistema de calefacción en canaletas especialmente practicadas. Esta opción de instalación se utiliza a menudo en la construcción moderna.

El tendido de tuberías se realiza a una altura de 70-100 mm desde el borde superior del zócalo del suelo. O la instalación se realiza bajo un zócalo decorativo de una altura de 100 mm o más, con un ancho de hasta 40 mm. La producción moderna fabrica estas cubiertas especializadas para la instalación de tuberías sanitarias o conductos eléctricos.

La conexión de los radiadores se realiza con el esquema «de arriba abajo» con la alimentación de tuberías en un lado o en ambos lados. La ubicación de los termostatos «en un lado concreto» no es crítica, pero si el montaje del aparato de calefacción se realiza cerca de una puerta de balcón, la instalación del termostato se realiza obligatoriamente en el lado más alejado de la puerta.

El tendido de tuberías detrás del zócalo parece ventajoso desde el punto de vista decorativo, pero recuerda sus inconvenientes cuando se trata de atravesar zonas donde hay puertas interiores.

Tuberías colocadas bajo un zócalo decorativo. Se podría decir que es una solución clásica para sistemas monotubo implementados en obras nuevas de diferentes categorías.

La conexión de los radiadores con las columnas monotubo se realiza según esquemas que permiten una dilatación lineal leve de las tuberías, o mediante esquemas con compensación de la dilatación de las tuberías debido a los cambios de temperatura.

La tercera variante de soluciones esquemáticas, donde se prevé el uso de un regulador de tres vías, no se recomienda por razones de ahorro.

Si el diseño del sistema contempla el tendido de columnas ocultas en canaletas de las paredes, se recomienda utilizar como válvulas de conexión termorreguladores de ángulo tipo RTD-G y válvulas de cierre similares a los dispositivos de la serie RLV.

Opciones de conexión: 1,2 – para sistemas que permiten la dilatación lineal de las tuberías; 3,4 – para sistemas diseñados para el uso de fuentes de calor adicionales; 5,6 – las soluciones con válvulas de tres vías se consideran desventajosas (+)

El diámetro de la derivación hacia los radiadores se calcula mediante la fórmula:

D >= 0.7√V,

donde:

• 0,7 – coeficiente;
• V – volumen interno del radiador.

La derivación se realiza con cierta pendiente (no menos del 5%) en dirección a la salida libre del fluido caloportador.

Selección del circuito de circulación principal

Si la solución de diseño contempla la instalación de un sistema de calefacción basado en varios anillos de circulación, es necesario seleccionar el anillo de circulación principal. La selección, teóricamente (y prácticamente), debe realizarse según el valor máximo de transferencia de calor del radiador más alejado.

Este parámetro influye en cierta medida en la evaluación de la carga hidráulica total que recae sobre el anillo de circulación.

Anillo de circulación en forma de diagrama estructural. Para diferentes variantes de diseño puede haber varios anillos de este tipo. Sin embargo, solo un anillo es el principal (+).

La transferencia de calor del dispositivo alejado se calcula mediante la fórmula:

Atp = Qv / Qop + ΣQop,

donde:

• Atp – transferencia de calor calculada del dispositivo alejado;
• Qv – transferencia de calor necesaria del dispositivo alejado;
• Qop – transferencia de calor de los radiadores a la habitación;
•  ΣQop – suma de la transferencia de calor necesaria de todos los dispositivos del sistema.

Además, el parámetro de la suma de la transferencia de calor necesaria puede consistir en la suma de los valores de los dispositivos destinados a servir al edificio en su totalidad o solo a una parte del edificio. Por ejemplo, al calcular el calor por separado para las habitaciones cubiertas por un solo tubo ascendente o para áreas individuales servidas por una rama de dispositivos.

En general, la transferencia de calor calculada de cualquier otro radiador de calefacción instalado en el sistema se calcula con una fórmula ligeramente diferente:

Atp = Qop / Qpom,

donde:

• Qop – transferencia de calor necesaria para un radiador individual;
• Qpom – necesidad térmica para una habitación específica donde se utiliza un esquema monotubo.

La forma más sencilla de comprender los cálculos y la aplicación de los valores obtenidos es mediante un ejemplo concreto.

Ejemplo práctico de cálculo

Para una vivienda unifamiliar se requiere un sistema monotubo con control por termostato.

El valor del caudal nominal del dispositivo en el límite máximo de ajuste es de 0,6 m³/h/bar (k1). La característica de caudal máximo posible para este valor de ajuste es de 0,9 m³/h/bar (k2).

La caída de presión máxima posible del TR (con un nivel de ruido de 30 dB) no supera los 27 kPa (ΔP1). La altura de la bomba es de 25 kPa (ΔP2). La presión de trabajo para el sistema de calefacción es de 20 kPa (ΔP).

Es necesario determinar el rango de pérdidas de presión para el TR (ΔP1).

El valor de la transferencia de calor interna se calcula de la siguiente manera: Atr = 1 – k1/k2 (1 – 0,6/0,9) = 0,56. A partir de esto se calcula el rango requerido de pérdidas de presión en el TR: ΔP1 = ΔP * Atr (20 * 0,56…1) = 11,2…20 kPa.

Si los cálculos independientes conducen a resultados inesperados, es mejor acudir a especialistas o utilizar una calculadora informática para verificar.

Conclusiones y video útil sobre el tema

Análisis detallado de los cálculos mediante un programa informático con explicaciones sobre la instalación y mejora de la funcionalidad del sistema:

Cabe señalar que el cálculo a gran escala incluso de las soluciones más simples conlleva una gran cantidad de parámetros calculados. Por supuesto, calcular todo sin excepción es justo siempre que se organice una estructura de calefacción cercana a la ideal. Sin embargo, en la realidad no existe nada perfecto.

Por lo tanto, a menudo se confía en los cálculos como tales, así como en ejemplos prácticos y en los resultados del funcionamiento de dichos ejemplos. Este enfoque es especialmente popular para la construcción de viviendas particulares.

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