Vaso de expansión del sistema de calefacción: estructura, cálculo y selección de la mejor opción

Un vaso de expansión del sistema de calefacción correctamente seleccionado e instalado adecuadamente evitará que falle, mantendrá la presión en el nivel necesario. Es necesario como reserva del agua que se expande al calentarse. Dependiendo del tipo de sistema, el expansor incorporado puede ser de tipo abierto o cerrado.

Explicaremos cómo seleccionar el depósito de reserva según el esquema de calefacción creado. En el artículo que presentamos se describen las características constructivas y la especificidad de instalación de los expansores. Se ofrecen recomendaciones cuyo cumplimiento garantizará el funcionamiento ideal del circuito de calefacción de cualquier tipo.

Depósitos de expansión de tipo abierto

La característica constructiva de los expansores de tipo abierto es el contacto del refrigerante con la atmósfera. La circulación en sistemas con expansor de este tipo es por convección. Al calentarse, el volumen del líquido aumenta, su exceso es absorbido por el depósito.

Al descender los indicadores de temperatura, el líquido regresa por gravedad, bajo la acción de la gravedad.

Debido a la presión cero en el depósito, el dispositivo no requiere una construcción metálica resistente, por lo tanto:

• en la fabricación del cuerpo se utiliza cualquier metal;
• se puede utilizar un depósito prefabricado de plástico termorresistente;
• la forma del depósito no es fundamental.

En casas de campo, dicho equipo puede ensamblarse con materiales disponibles. Como depósito se puede usar un bidón o barril de plástico equipado con un tubo de entrada y una salida de rebose.

Los expansores de tipo abierto pueden fabricarse en forma de depósito rectangular con tapa no hermética en la parte superior

Exteriormente es un depósito metálico común, cuya parte superior está provista de una abertura para mantenimiento y adición de líquido. La protección contra obstrucciones la proporciona una tapa no hermética. En la parte inferior o en un lateral se encuentran los puntos de fijación.

Los sistemas de calefacción abiertos se utilizan en edificios de poca altura, donde el volumen de refrigerante y la longitud de las tuberías de calefacción son relativamente pequeños.

Los requisitos de instalación son sencillos:

• el expansor se coloca en el punto más alto, en la línea de alimentación;
• la alimentación se conecta al tanque mediante un conducto;
• para el drenaje del exceso de líquido, se realiza una inserción de rebose por encima del nivel calculado.

Para garantizar la circulación por gravedad, se recomienda utilizar tuberías de sección aumentada para la instalación.

La estructura abierta se coloca en el punto superior, desde donde el líquido fluye por gravedad.

Generalmente, se intenta montar el tanque en una habitación con calefacción, en un ático aislado y con calefacción; si esto no es posible, será necesario aislar el depósito. La presencia de aislamiento evitará la congelación del líquido y la pérdida de funcionalidad del sistema.

Depósitos de expansión de tipo cerrado

La especificidad constructiva de las modificaciones cerradas del tanque es su total hermeticidad, lo que permite mantener la presión necesaria para la circulación en cualquier punto del sistema.

El interior del depósito está dividido por una membrana en una parte de aire y otra de líquido. Cada uno de los compartimentos es completamente hermético: la mezcla que contiene nitrógeno del compartimento de aire nunca se mezcla con el refrigerante que llena el compartimento de líquido.

El principio de funcionamiento de un vaso de expansión cerrado es que el líquido calentado del sistema es empujado hacia la parte líquida del tanque y comienza a presionar desde su lado contra la membrana hermética. El tabique se deforma y afecta la parte de aire, comprimiéndola.

Como resultado, el volumen de la cámara de aire del tanque disminuye y el gas en ella se comprime. Esta situación contribuye al aumento de la presión en el sistema. Tan pronto como la presión se normaliza, el refrigerante es expulsado de vuelta desde el compartimento líquido.

Si la presión aumenta rápidamente, al alcanzar el volumen crítico de líquido en el tanque, se activa la válvula de seguridad. Como resultado, se eliminará el exceso de refrigerante del depósito.

La construcción cerrada es completamente hermética; en su parte inferior hay una brida con un tubo de entrada, y en la superior, un nippel para llenado de gas.

Según la forma, todos los expansores cerrados para instalación en sistemas de calefacción se dividen en los siguientes tipos:

1. Esféricos – un tipo de construcción de membrana con tabique elástico. Al entrar el líquido, se estira y absorbe todo el volumen excedente. El tanque tiene forma de cápsula esférica.
2. Ovalados – otro tipo de compensadores hidráulicos de membrana. El cilindro del expansor está tradicionalmente dividido por una membrana flexible en cámaras de gas y líquido, pero la configuración del cuerpo tiene una forma ligeramente alargada verticalmente.

Externamente, los expansores ovalados tienen forma de cilindro pintado de rojo. En un lado hay un nippel para crear presión en la cámara de gas, en el otro, un tubo para la conexión al sistema.

En el cuerpo están soldados los puntos de fijación que permiten la instalación en suspensión del equipo y soportan su peso operativo. La modificación esférica del tanque difiere de la ovalada solo en la forma.

Los expansores cerrados de membrana se dividen en modificaciones de diafragma y de globo según su variedad.

En los sistemas de tipo cerrado, la circulación por gravedad no puede proporcionar el nivel de presión necesario. Por lo tanto, en el diseño se incluye una bomba de circulación.

El propio expansor puede instalarse en cualquier punto del sistema, pero durante los trabajos de montaje es aconsejable considerar las siguientes recomendaciones:

• el mejor lugar para la instalación es la línea de retorno, antes del punto de conexión de la bomba;
• es mejor conectar el suministro de fluido térmico por la parte superior, lo que permitirá reducir la penetración de aire y mantendrá la funcionalidad en caso de daño de la membrana;
• la falta de volumen principal se puede compensar instalando un expansor adicional con menor capacidad.

Al instalar, no está prohibido tener en cuenta el interior del local, si es necesario. Para controlar el nivel de presión en el sistema de calefacción, el expansor debe estar equipado con un manómetro.

El expansor cerrado se coloca generalmente antes de la caldera, antes del lugar de instalación de la bomba de circulación

La posibilidad de colocarlo cerca de la caldera elimina la cuestión de la necesidad de aislar el depósito. El equipo se encuentra en una habitación cálida, lo que garantiza la comodidad de uso.

¿Qué diseño es mejor?

Los sistemas, dependiendo del diseño y material del depósito de expansión, difieren en una lista de pros y contras. Pero, según expertos y usuarios experimentados, las ventajas en funcionalidad están del lado de las opciones cerradas.

Ventajas y desventajas del depósito abierto

Un sistema por gravedad necesita tuberías de mayor diámetro, lo que a su vez aumenta directamente los costos. El presupuesto de instalación de un sistema de calefacción abierto con un expansor no hermético aumenta ligeramente, aunque sigue siendo relativamente bajo.

Las principales ventajas de esta opción son la simplicidad, más el bajo costo de los componentes y los trabajos de instalación. Otra característica positiva es la ausencia de necesidad de controlar el nivel de presión.

Un expansor de tipo abierto para sistemas pequeños se puede ensamblar con materiales disponibles, y su instalación será sencilla.

Sin embargo, las desventajas son considerablemente mayores:

• el uso de anticongelante es peligroso debido a los vapores tóxicos;
• las posibilidades de instalación están limitadas solo al punto más alto del sistema;
• el contacto constante con la atmósfera aumenta el riesgo de bolsas de aire y corrosión;
• calentamiento lento;
• las fluctuaciones de temperatura que acompañan a la circulación por convección aceleran el desgaste del equipo;
• se utiliza en calefacción de edificios de poca altura, máximo de dos pisos;
• grandes pérdidas de calor y consumo de energía para el calentamiento.

Otra desventaja del sistema abierto son las pérdidas por evaporación y desbordamiento. Por lo tanto, al instalar el tanque, debe asegurarse de que el orificio de llenado sea accesible.

Ventajas y desventajas del depósito cerrado

Si en precios y simplicidad de montaje ganan los expansores abiertos, la funcionalidad es el punto fuerte del tanque cerrado, también llamado expansomat. Estos se utilizan precisamente en la construcción de sistemas de calefacción cerrados, que no tienen contacto directo con la atmósfera.

Los expansómatos tienen las siguientes ventajas:

• completa estanqueidad permite usar anticongelante;
• la ubicación del expansor no afecta el rendimiento del sistema;
• el aislamiento del espacio interior del tanque minimiza la probabilidad de bolsas de aire y corrosión;
• tras el arranque, el sistema se calienta más rápido, es más sensible al ajuste de los regímenes de temperatura;
• menor diferencia entre las condiciones de funcionamiento de las líneas de ida y retorno, lo que aumenta la vida útil;
• no requiere instalación de tuberías de gran diámetro, lo que permite ahorrar en la construcción;
• no requiere atención constante al nivel y estado del líquido;
• posibilidad de uso en sistemas diseñados para varios pisos;
• pequeñas pérdidas de calor, que reducen los costos de operación del equipo.

Al elegir expansores de este tipo, pueden encontrarse cilindros herméticos con construcción no desmontable. Si el diafragma falla, el cilindro deberá cambiarse por uno nuevo.

Para controlar el nivel de presión de trabajo, se instala un manómetro en el cilindro; para purgar el exceso de aire, se instala un purgador de aire de tipo automático o mecánico.

Entre las desventajas, es importante señalar la complejidad del diseño y los requisitos especiales de los materiales, que aumentan el costo del equipo. A esto se puede añadir la necesidad de un control constante de la presión y su restauración cuando sea necesario.

Reglas para calcular la capacidad del depósito

Un expansor de cualquier tipo solo será efectivo si se elige correctamente el volumen. Para ello, se debe tener en cuenta la capacidad del líquido de expandirse durante el calentamiento. El agua en los circuitos de calefacción se expande al menos un 3 % del volumen total del sistema de agua, y el anticongelante, casi un 5 %.

Los líquidos pertenecen a la categoría de medios incompresibles, por lo que el tanque debe proporcionar una reserva suficiente para la expansión térmica con cierto margen. Si el circuito se llena completamente con fluido caloportador, incluso la expansión térmica en los volúmenes calculados puede provocar la descarga de líquido a través de la válvula de seguridad y el derrame del fluido caloportador al suelo.

Por lo tanto, para que el exceso de volumen del refrigerante en expansión no provoque accidentes, se adquieren tanques cerrados para circuitos pequeños en casas particulares de modo que su volumen sea igual al 10 % del volumen total del refrigerante que circula por el sistema. Esta regla es válida para sistemas con capacidad de hasta 150 litros.

Si por el circuito de calefacción circulan más de 150 litros de refrigerante, entonces la capacidad del tanque cerrado se calcula multiplicando el volumen total del líquido por su coeficiente de expansión a valores específicos de la temperatura de funcionamiento en el sistema.

Al valor obtenido se debe sumar el tamaño del sello de agua, es decir, el volumen de refrigerante formado en el depósito como resultado de la presión estática estándar del líquido. Para circuitos de calefacción grandes, este indicador suele ser del 0,5% del volumen total de refrigerante; para los pequeños, con capacidad de hasta 150 litros, se toma como 20%.

La suma obtenida se multiplica por un factor de corrección determinado por los valores de presión inicial y final en el sistema de calefacción. La presión inicial se calcula asumiendo que por cada 10 metros de altura del circuito corresponde 1 bar. La presión final se forma como resultado del funcionamiento del sistema.

El cálculo del volumen del depósito de tipo cerrado para sistemas de calefacción grandes y complejos es el siguiente:

En los cálculos se utilizó: Vn – volumen nominal del tanque cerrado; Ve – volumen del refrigerante en la expansión térmica (calculado mediante la fórmula V del sistema × n%, donde n es el coeficiente de expansión térmica del refrigerante); Vv – sello de agua; po – presión previa; pe – indicador de presión final, igual al valor de la presión límite de la válvula de seguridad menos 0,5 bar.

La capacidad del tipo abierto no está estrictamente regulada por las normas, pero existe una regla: el volumen del tanque abierto hasta el tubo de rebose debe ser del 3,5 – 4 % del volumen total del refrigerante en el circuito de calefacción.

Esta evaluación es suficiente para una pequeña casa de campo, pero una construcción para residencia permanente requerirá un cálculo más preciso. En primer lugar, será necesario determinar el volumen total del sistema de calefacción.

Opciones para calcular la capacidad total de calefacción

Este indicador se puede determinar con diferentes grados de precisión mediante tres métodos principales. En primer lugar, basándose en los datos de la hoja de datos de la caldera. Así, por unidad de potencia del equipo de caldera se necesitan aproximadamente 15 litros de líquido. Para obtener los datos necesarios, se deberá multiplicar 15 por la potencia de la caldera indicada en la hoja de datos técnicos.

En segundo lugar, se puede averiguar el volumen mediante un contador de agua al llenar el sistema. A medida que se llena, se contabiliza la cantidad de líquido utilizado. Esta es una opción más precisa y laboriosa.

El tercer método consiste en calcular el volumen total de todos los elementos del sistema de calefacción. Esta es la opción más precisa. La capacidad del intercambiador de calor de la caldera, los radiadores, los convectores y los instrumentos de medición se puede determinar a partir de las características de la hoja de datos. Para calcular la capacidad de las tuberías, se utilizan los datos de la tabla.

En la tabla se indican las dimensiones de las tuberías en pulgadas y su volumen en litros por metro, que se utiliza para sumar el volumen total.

En la tabla se indica el volumen de tuberías por metro de longitud, fabricadas con los materiales más comunes y modernos. El diámetro interior se indica en pulgadas desde 0,5 hasta 1,5 unidades.

Otro método que aspira a una alta precisión es el cálculo mediante la fórmula:

Vtotal = π x D2 x L/4,

donde:

• π – equivale a 3,14;
• D – indica los parámetros del diámetro interior de las tuberías;
• L – indica la longitud de la tubería del sistema.

Después de obtener los datos necesarios, se suman y se obtiene el volumen total del sistema, que se utiliza en cálculos posteriores.

Los pasos y fórmulas del ciclo completo de cálculos para el diseño y organización de la calefacción de una casa particular se presentan aquí. Recomendamos consultar la información útil.

Selección del vaso de expansión según la tabla

Si se dispone de los datos necesarios, se puede seleccionar la opción óptima del expansor según la tabla de volúmenes y presión de cálculo.

El volumen total del sistema se calcula según el método indicado; los parámetros de presión son aplicables solo para modificaciones cerradas y se indican en los datos de la hoja de datos del equipo.

Los datos de la tabla le permiten seleccionar el volumen del expansor de 4 a 300 litros

Esta opción no requiere cálculos especiales, excepto el cálculo del volumen total del sistema. El uso de la tabla facilita y acelera significativamente la selección del expansor con la capacidad de depósito necesaria.

Uso de fórmulas para el cálculo

Si los datos de la tabla no son suficientes, existe la posibilidad de calcular el indicador de volumen necesario del depósito por sí mismo.

Para ello, utilice la siguiente fórmula:

Vb = Vc x k/D,

donde:

• Vb – denota la capacidad buscada del expansor;
• Vc – la capacidad total del sistema;
• k – el coeficiente de expansión del líquido al calentarse;
• D – el coeficiente de eficiencia del expansor.

De los datos necesarios para el cálculo, los coeficientes k y D siguen siendo desconocidos. El primero es un valor tabulado, y el segundo se calcula mediante una fórmula separada.

También existe y se utiliza una tabla de expansión térmica. Permite determinar el coeficiente para sistemas con agua o anticongelante. El valor no es lineal, cambia al calentarse, dependiendo de la presencia y concentración de glicol en el líquido.

Con estos datos se pueden determinar los parámetros del coeficiente de expansión del líquido al calentarse (k), necesarios para calcular el volumen del depósito de expansión.

Para el agua, la concentración de etilenglicol se considera «0»; para el anticongelante, la concentración se determina según los datos declarados por el fabricante. La temperatura de calentamiento se considera la temperatura de funcionamiento para el sistema específico.

Para calcular usted mismo el coeficiente de eficiencia del tanque de expansión, se utiliza la fórmula:

(Qm – Qb) : (Qm + 1),

donde:

• Qm – la presión máxima del sistema según el umbral nominal de activación de la válvula de seguridad;
• Qb – la presión preliminar en la cámara de aire del expansor según la ficha técnica.

Si el último parámetro se desconoce, se mide al inflar o purgando a través del nippel del depósito.

Otros métodos de cálculo

Además de los cálculos independientes con fórmulas y tablas, existen métodos alternativos. Una opción accesible de cálculo es la ayuda de una calculadora en línea.

No hay escasez de recursos en línea que ofrezcan calcular el valor deseado. Se pueden encontrar fácilmente mediante una consulta clave.

Otra opción para obtener los datos necesarios es acudir a diseñadores profesionales. Es el método más confiable, pero la precisión de la información obtenida resultará bastante costosa.

Con las reglas de instalación y conexión de los expansores de tipo cerrado y abierto, le familiarizará el siguiente artículo, dedicado a estos temas.

¿Cómo elegir correctamente el vaso de expansión?

Se recomienda decidir el tipo de sistema de calefacción ya en la fase de planificación. La elección del tanque generalmente se pospone hasta después de la construcción de la estructura, cuando el sistema está montado y se conoce su volumen.

Al seleccionar la opción óptima del tanque de expansión, se recomienda:

• basarse en el volumen del tanque de expansión cerrado que supere el valor de la expansión térmica del fluido caloportador;
• al comprar, se debe prestar atención a la conexión, la forma del depósito y la ubicación de los conectores de fijación; esto permitirá evitar sorpresas durante la instalación;
• es importante prestar atención a las instrucciones en el cuerpo, que contienen información útil sobre la instalación y los parámetros técnicos.

Al comprar, es mejor optar por un fabricante de confianza, incluso si sus tanques son más caros. Esto garantizará la durabilidad del sistema de calefacción, siempre que se realice un uso correcto y un mantenimiento regular.

Antes de la conexión, la presión previa en el compartimento de gas del tanque de membrana se ajusta a un valor igual a la presión estática de la columna de fluido caloportador en el circuito de calefacción. El ajuste se realiza con una bomba de coche común y se controla con un manómetro.

Lo principal es no comprar un depósito de caldera para el sistema de calefacción: son completamente diferentes en sus características técnicas.

No se deben confundir los expansores para sistemas de calefacción con los hidroacumuladores para líneas de suministro de agua fría. Se diferencian en apariencia y características de diseño. Los primeros están pintados de rojo y generalmente no son desmontables, los segundos tienen color azul y están provistos de una brida desmontable para reparar la membrana.

Conclusiones y video útil sobre el tema

El video ayudará a determinar los parámetros del expansor de tipo cerrado y a comprender las diferencias entre los tanques de calefacción y los de caldera:

Principio de funcionamiento y características de selección del depósito en el video:

El sistema de calefacción de una casa particular puede realizarse según un esquema abierto o cerrado, lo que requiere la instalación de un expansor de la construcción correspondiente. El factor clave de su funcionamiento es el volumen, que se puede calcular por sí mismo o confiar este trabajo a diseñadores profesionales.

Un equipo bien seleccionado ayudará a mantener el volumen necesario de líquido en un sistema abierto, y en una calefacción sellada mantendrá el nivel de presión de trabajo.

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