Sistema de calefacción cerrado: esquemas y características de montaje del sistema de tipo cerrado

La característica principal que diferencia un sistema de calefacción cerrado de uno abierto es su aislamiento del entorno exterior. En este esquema se incluye una bomba de circulación que estimula el movimiento del fluido caloportador. El esquema carece de muchos de los inconvenientes propios de un circuito de calefacción abierto.

Descubrirá todas las ventajas y desventajas de los esquemas de calefacción cerrados al leer el artículo que le ofrecemos. En él se analizan en detalle las opciones de instalación, las particularidades del montaje y el funcionamiento de los sistemas cerrados. Para los aficionados al bricolaje, se incluye un ejemplo de cálculo hidráulico.

La información presentada se basa en las normativas de construcción. Para optimizar la comprensión de este tema complejo, el texto se complementa con esquemas útiles, colecciones de fotos y guías en video.

Principio de funcionamiento de un sistema cerrado

Las dilataciones térmicas en un sistema cerrado se compensan mediante el uso de un vaso de expansión de membrana, que se llena de agua durante el calentamiento. Al enfriarse, el agua del vaso regresa al sistema, manteniendo así una presión constante en el circuito.

La presión que se genera en el circuito cerrado de calefacción durante la instalación se transmite a todo el sistema. La circulación del refrigerante es forzada, por lo que este sistema depende de la energía eléctrica. Sin bomba de circulación no habrá movimiento del agua caliente por las tuberías hacia los radiadores y de regreso al generador de calor.

Elementos principales del circuito cerrado:

• caldera;
• válvula de purga de aire;
• válvula termostática;
• radiadores;
• tuberías;
• vaso de expansión, sin contacto con la atmósfera;
• válvula de equilibrado;
• válvula de esfera;
• bomba, filtro;
• válvula de seguridad;
• manómetro;
• racores, sujeciones.

Si el suministro eléctrico de la vivienda es ininterrumpido, el sistema cerrado funciona de manera eficiente. A menudo, la estructura se complementa con 'suelos radiantes', que aumentan su economía y capacidad de transferencia de calor.

Esta disposición permite no ajustarse a un diámetro de tubería específico, reducir los costes de adquisición de materiales y no colocar la tubería con pendiente, lo que simplifica el montaje. A la bomba debe llegar líquido a baja temperatura, de lo contrario su funcionamiento es imposible.

El circuito de calefacción de tipo cerrado incluye algunas piezas que también se utilizan en otros tipos de sistemas.

Esta variante tiene también un inconveniente negativo: mientras que con una pendiente constante la calefacción funciona incluso en ausencia de alimentación eléctrica, con una tubería estrictamente horizontal el sistema cerrado no funciona. Este defecto se compensa con un alto rendimiento y una serie de aspectos positivos en comparación con otros tipos de sistemas de calefacción.

El montaje se realiza de manera relativamente sencilla y es posible en habitaciones de cualquier tamaño. No es necesario aislar la tubería, el calentamiento es muy rápido. Si hay un termostato en el circuito, se puede ajustar el régimen de temperatura. Si el sistema está bien diseñado, no se producen pérdidas de fluido caloportador y, por lo tanto, no hay razones para su reposición.

Una ventaja indudable del sistema de calefacción de tipo cerrado es que la diferencia de temperatura entre el flujo de ida y el de retorno permite aumentar la vida útil de la caldera. La tubería en un circuito cerrado es menos propensa a la corrosión. Existe la posibilidad de inyectar en el circuito anticongelante en lugar de agua cuando la calefacción debe desconectarse durante largos períodos en invierno.

Los sistemas de tipo cerrado más utilizados son los de agua, aunque la función de fluido caloportador también puede ser realizada por líquidos anticongelantes, vapor, gases que posean las características necesarias.

Protección del sistema contra el aire

Teóricamente, en un sistema de calefacción cerrado no debería entrar aire, pero en realidad sí está presente. Su acumulación se observa cuando las tuberías y radiadores se llenan de agua. La segunda causa puede ser la despresurización de las uniones.

Como resultado de la aparición de bolsas de aire, la transferencia de calor del sistema disminuye. Para combatir este fenómeno, se incluyen en el sistema válvulas y grifos especiales para purgar el aire.

Si no se acumula aire en el sistema, el flotador del purgador bloquea la válvula de escape. Cuando se acumula una bolsa de aire en la cámara del flotador, el flotador deja de sujetar la válvula de escape, por lo que el aire sale del dispositivo.

Para minimizar la probabilidad de que aparezcan bolsas de aire, es necesario seguir ciertas reglas al llenar el sistema cerrado:

1. Suministrar agua desde el punto inferior al superior. Para ello, se deben tender las tuberías de modo que el agua y el aire que se libera se muevan en la misma dirección.
2. Dejar abiertos los grifos para purgar el aire y cerrados los grifos para drenar el agua. De este modo, al elevar gradualmente el refrigerante, el aire escapará a través de los purgadores abiertos.
3. Cerrar el grifo de purga de aire tan pronto como empiece a salir agua. Continuar el proceso gradualmente hasta que el circuito esté completamente lleno de refrigerante.
4. Poner en marcha la bomba.

Si en el circuito de calefacción hay radiadores de aluminio, se necesitan purgadores de aire en cada uno de ellos. El aluminio, al entrar en contacto con el refrigerante, provoca una reacción química que libera oxígeno. En los radiadores parcialmente bimetálicos el problema es el mismo, pero se genera considerablemente menos aire.

El purgador de aire automático se instala en el punto más alto. Este requisito se explica porque las burbujas de aire en los líquidos siempre tienden a subir por la tubería, donde el dispositivo de purga las recoge.

En los radiadores 100% bimetálicos, el refrigerante no entra en contacto con el aluminio, pero los profesionales insisten en la presencia de un purgador de aire también en este caso. La construcción específica de los radiadores de panel de acero ya viene equipada de fábrica con válvulas para purgar el aire.

En los radiadores de hierro fundido antiguos, el aire se elimina mediante una llave de paso esférica; otros dispositivos aquí son poco efectivos.

Los puntos críticos en el circuito de calefacción son los dobleces de las tuberías y los puntos superiores del sistema, por lo que en estos lugares se instalan dispositivos para la salida de aire. En un circuito cerrado se utilizan grifos de Mayevsky o válvulas automáticas de flotador, que permiten purgar el aire sin intervención humana.

En el cuerpo de este dispositivo hay un flotador de polipropileno, conectado mediante un balancín a una válvula de obturador. A medida que la cámara del flotador se llena de aire, el flotador desciende y, al alcanzar la posición inferior, abre una válvula por la que el aire sale.

En el volumen liberado de gas, entra agua, el flotador se eleva rápidamente y cierra el obturador. Para evitar que entren residuos en este último, se cubre con una tapa protectora.

El cuerpo tanto del purgador manual como del automático está fabricado de un material de calidad que no se corroe. Para eliminar la bolsa de aire, se gira el cono en sentido contrario a las agujas del reloj, liberando el aire hasta que cese el silbido.

Existen modificaciones donde este proceso ocurre de manera diferente, pero el principio es el mismo: flotador en posición inferior — se produce la liberación de gas; flotador elevado — válvula cerrada, el aire se acumula. El ciclo se repite automáticamente y no requiere presencia humana.

Cálculo hidráulico para un sistema cerrado

Para no equivocarse en la selección de tuberías por diámetro y potencia de la bomba, es necesario realizar un cálculo hidráulico del sistema.

El funcionamiento eficiente de todo el sistema no es posible sin tener en cuenta los 4 puntos principales:

1. Determinar la cantidad de fluido térmico que debe suministrarse a los dispositivos de calefacción para garantizar el balance térmico deseado en la casa, independientemente de la temperatura exterior.
2. Máxima reducción de los costes operativos.
3. Reducción al mínimo de las inversiones financieras, que dependen del diámetro elegido de la tubería.
4. Funcionamiento estable y silencioso del sistema.

Un cálculo hidráulico ayudará a resolver estas tareas, permitiendo seleccionar los diámetros óptimos de las tuberías teniendo en cuenta velocidades de flujo del fluido térmico económicamente justificadas, determinar las pérdidas de carga hidráulica en secciones individuales, enlazar y equilibrar las ramas del sistema. Esta es una etapa de diseño compleja y laboriosa, pero necesaria.

Reglas para calcular el caudal del fluido caloportador

Los cálculos son posibles si se dispone de un cálculo térmico y después de seleccionar los radiadores según su potencia. El cálculo térmico debe contener datos justificados sobre los volúmenes de energía térmica, las cargas y las pérdidas de calor. Si no se dispone de estos datos, se toma la potencia del radiador en función del área de la habitación, pero los resultados del cálculo serán menos precisos.

El esquema tridimensional es cómodo para trabajar. A todos sus elementos se les asignan designaciones que incluyen la marca y el número de orden.

Se comienza con el esquema. Es mejor realizarlo en proyección axonométrica e indicar todos los parámetros conocidos. El caudal de fluido térmico se determina mediante la fórmula:

G =860q/∆t kg/h,

donde q es la potencia del radiador en kW, ∆t es la diferencia de temperatura entre la línea de retorno y la de impulsión. Una vez determinado este valor, se determina la sección de las tuberías mediante las tablas de Shevelev.

Para utilizar estas tablas, el resultado de los cálculos debe convertirse a litros por segundo mediante la fórmula: GV = G / 3600ρ. Aquí GV denota el caudal del refrigerante en l/s, ρ es la densidad del agua igual a 0.983 kg/l a una temperatura de 60 °C. A partir de las tablas se puede seleccionar la sección de la tubería sin realizar un cálculo completo.

Las tablas de Shevelev simplifican considerablemente el cálculo. Aquí se presentan los valores de los diámetros de tuberías de plástico y acero, que se pueden determinar conociendo la velocidad de movimiento del refrigerante y su caudal.

La secuencia de cálculo es más fácil de entender con un ejemplo de un esquema simple que incluye una caldera y 10 radiadores. El esquema debe dividirse en secciones donde la sección de las tuberías y el caudal del refrigerante sean valores constantes.

El primer tramo es la línea que va desde la caldera hasta el primer radiador. El segundo es el segmento entre el primer y el segundo radiador. El tercer tramo y los siguientes se delimitan de manera similar.

La temperatura desde el primer hasta el último dispositivo disminuye gradualmente. Si en el primer tramo la energía térmica es de 10 kW, al pasar por el primer radiador el refrigerante le cede una cierta cantidad de calor y el calor saliente se reduce en 1 kW, etc.

El caudal del refrigerante se puede calcular mediante la fórmula:

Q=(3.6xQuch)/(cx(tr-to))

Aquí Quch es la carga térmica del tramo, c es el calor específico del agua, que tiene un valor constante de 4,2 kJ/(kg·°C), tr es la temperatura del refrigerante caliente en la entrada, to es la temperatura del refrigerante enfriado en la salida.

La velocidad óptima de movimiento del refrigerante caliente a través de la tubería es de 0,2 a 0,7 m/s. Con un valor menor, aparecerán bolsas de aire en el sistema. Este parámetro se ve afectado por el material del producto y la rugosidad interior de la tubería.

Tanto en circuitos de calefacción abiertos como cerrados, se utilizan tuberías de acero negro e inoxidable, cobre, polipropileno, polietileno de diferentes modificaciones, polibutileno, etc.

Con una velocidad del refrigerante dentro de los límites recomendados, 0,2-0,7 m/s, en una tubería polimérica se observarán pérdidas de presión de 45 a 280 Pa/m, y en tuberías de acero, de 48 a 480 Pa/m.

El diámetro interior de las tuberías en el tramo (dvn) se determina en función de la magnitud del flujo térmico y de la diferencia de temperatura entre la entrada y la salida (∆tco=20 °C para un esquema de calefacción de dos tuberías) o del caudal del refrigerante. Para ello, existe una tabla especial:

Con esta tabla, conociendo la diferencia de temperatura entre la entrada y la salida, así como la velocidad del flujo, es fácil determinar el diámetro interior de la tubería.

Para seleccionar el circuito, se deben considerar por separado los esquemas de una y dos tuberías. En el primer caso, se calcula el montante con la mayor cantidad de equipos, y en el segundo, el circuito cargado. La longitud del tramo se toma del plano realizado a escala.

Realizar un cálculo hidráulico preciso solo está al alcance de un especialista en la materia. Existen programas especiales que permiten realizar todos los cálculos relacionados con las características térmicas e hidráulicas, que se pueden utilizar durante el diseño del sistema de calefacción de su hogar.

Selección de la bomba de circulación

El objetivo del cálculo es obtener el valor de presión que debe desarrollar la bomba para impulsar el agua a través del sistema. Para ello se utiliza la fórmula:

P = Rl + Z

Donde:

• P — son las pérdidas de presión en la tubería en Pa;
• R — es la resistencia específica a la fricción en Pa/m;
• l — es la longitud de la tubería en el tramo calculado en m;
• Z — son las pérdidas de presión en los tramos 'estrechos' en Pa.

Estos cálculos se simplifican con las mismas tablas de Shevelev, de las cuales se puede encontrar el valor de resistencia a la fricción, solo que 1000i deberá recalcularse para la longitud específica de la tubería. Por ejemplo, si el diámetro interno de la tubería es de 15 mm, la longitud del tramo es de 5 m y 1000i = 28,8, entonces Rl = 28,8 x 5/1000 = 0,144 bar. Una vez encontrados los valores de Rl para cada tramo, se suman.

El valor de pérdida de presión Z tanto para la caldera como para los radiadores aparece en la ficha técnica. Para otras resistencias, los especialistas recomiendan tomar un 20% de Rl, sumando luego los resultados por tramos individuales y multiplicando por un coeficiente de 1,3. Como resultado se obtendrá la presión requerida de la bomba. El cálculo es el mismo para sistemas de uno y dos tubos.

La bomba se instala de manera que su eje quede en posición horizontal, de lo contrario no se podrán evitar las bolsas de aire. Se monta con racores americanos para poder retirarla fácilmente si es necesario.

En el caso de que se seleccione la bomba según una caldera ya existente, se aplica la fórmula: Q=N/(t2-t1), donde N es la potencia del equipo de calefacción en W, y t2 y t1 son las temperaturas del refrigerante a la salida de la caldera y en el retorno, respectivamente.

¿Cómo calcular el vaso de expansión?

El cálculo se reduce a determinar la magnitud en que aumentará el volumen del refrigerante durante su calentamiento desde la temperatura ambiente media de +20 °C hasta la de trabajo, de 50 a 80 grados. Estos cálculos no son sencillos, pero existe otra forma de resolver el problema: los profesionales recomiendan elegir un vaso con un volumen igual a 1/10 de la cantidad total de líquido en el sistema.

El vaso de expansión es un elemento muy importante del sistema. Los excesos de refrigerante que recibe en el momento de su expansión evitan que la tubería principal y las llaves se rompan.

Estos datos se pueden obtener de las fichas técnicas del equipo, donde se indica la capacidad de la camisa de agua de la caldera y de 1 sección del radiador. Luego se calcula el área de la sección transversal de las tuberías de diferentes diámetros y se multiplica por la longitud correspondiente.

Se suman los resultados, se añaden los datos de las fichas técnicas y del total se toma el 10%. Si todo el sistema contiene 200 litros de refrigerante, entonces se necesita un vaso de expansión de 20 litros.

Criterios para elegir el vaso

Los tanques de expansión se fabrican de acero. En su interior hay una membrana que divide el depósito en dos compartimentos. El primero está lleno de gas, y el segundo, de refrigerante. Cuando la temperatura aumenta y el agua fluye desde el sistema hacia el tanque, el gas se comprime bajo su presión. El refrigerante no puede ocupar todo el volumen debido a la presencia de gas en el tanque.

La capacidad de los depósitos de expansión varía. Este parámetro se selecciona de manera que, cuando la presión en el sistema alcance su punto máximo, el agua no supere el nivel establecido. Como protección contra el desbordamiento, se incluye una válvula de seguridad en la construcción. El llenado normal del depósito es del 60 al 30%.

La solución óptima es realizar la instalación del depósito de expansión en un lugar donde haya menos curvas en el sistema. El mejor lugar para ello es un tramo recto antes de la bomba.

Selección del esquema óptimo

En la instalación de calefacción en una casa particular se utilizan esquemas de dos tipos: uno y dos tubos. Si los comparamos, el último es más eficiente. Su principal diferencia radica en la forma de conectar los radiadores a las tuberías. En el sistema de dos tubos, un elemento obligatorio del esquema de calefacción es un montante individual por el cual el refrigerante enfriado regresa a la caldera.

La instalación de un sistema monotubo es más simple y menos costosa desde el punto de vista financiero. El circuito cerrado de este sistema combina tanto la tubería de suministro como la de retorno.

Sistema de calefacción monotubo

En casas de uno y dos pisos con superficie pequeña, ha demostrado ser eficaz el esquema de circuito monotubo de calefacción de tipo cerrado, que consiste en una distribución de 1 tubería y una serie de radiadores conectados en serie a ella.

A veces se le denomina popularmente «Leningradka». El refrigerante, al ceder calor al radiador, regresa a la tubería de suministro y luego pasa a la siguiente batería. Los últimos radiadores en la secuencia reciben menos calor.

Al instalar un sistema de tubería única, se pueden hacer 2 opciones de movimiento del fluido caloportador: concurrente y sin salida. En el primer caso, el sistema se puede equilibrar, y en el segundo no.

La ventaja de este esquema es una instalación económica: se requiere menos material y tiempo que para un sistema de 2 tuberías. En caso de fallo de un radiador, los demás funcionarán normalmente si se utiliza un bypass.

Las capacidades del sistema de tubería única son limitadas: no se puede poner en marcha por etapas, los radiadores se calientan de manera desigual, por lo que al último de la cadena hay que añadirle secciones. Para que el fluido caloportador no se enfríe tan rápido, es necesario aumentar el diámetro de las tuberías. Se recomienda conectar no más de 5 radiadores por cada planta.

Se conocen 2 tipos de sistema: horizontal y vertical. En un edificio de una planta, el tipo horizontal de sistema de calefacción se instala tanto por encima como por debajo del suelo. Se recomienda montar las baterías al mismo nivel, y la tubería de suministro horizontal con una ligera pendiente en la dirección del movimiento del fluido caloportador.

Con distribución vertical, el agua de la caldera sube por la columna central, entra en la tubería, se distribuye por las columnas individuales, y de ellas a los radiadores. Al enfriarse, el líquido baja por la misma columna, pasando por todos los aparatos, llega a la tubería de retorno, y desde allí la bomba la bombea de vuelta a la caldera.

Un sistema vertical monotubo incluye un montante principal y varios montantes individuales, un vaso de expansión, tubería de suministro, radiadores, purgador de aire, tubería de retorno y bomba. Más frecuentemente se utiliza un sistema con secciones desplazadas, donde para regular el calentamiento de los radiadores se emplean válvulas de 3 vías.

Al elegir el sistema de calefacción de tipo cerrado, la instalación se realiza en la siguiente secuencia:

1. Se instala la caldera. Generalmente se le asigna un lugar en el sótano o en la primera planta de la casa.
2. Se conectan las tuberías a los racores de entrada y salida de la caldera, distribuyéndolas por el perímetro de todas las habitaciones. Las conexiones se eligen según el material de las tuberías principales.
3. Se instala el vaso de expansión, colocándolo en el punto más alto. Al mismo tiempo, se monta un grupo de seguridad, conectándolo a la tubería principal a través de un tee. Se fija el montante vertical principal y se conecta al vaso.
4. Se realiza el montaje de los radiadores con la instalación de purgadores tipo Maevsky. La mejor opción: un bypass y dos válvulas de cierre, una en la entrada y otra en la salida.
5. Se instala la bomba en el tramo donde el refrigerante enfriado ingresa a la caldera, colocando previamente un filtro antes de su lugar de instalación. El rotor se coloca estrictamente en horizontal.

Algunos técnicos instalan la bomba con un bypass para no tener que drenar el agua del sistema en caso de reparación o reemplazo del equipo.

Después del montaje de todos los elementos, se abre la válvula, se llena la tubería con refrigerante y se purga el aire. Se verifica si el aire ha sido eliminado completamente desenroscando el tornillo ubicado en la tapa de la carcasa de la bomba. Si sale líquido de debajo del tornillo, significa que se puede poner en marcha el equipo, después de apretar el tornillo central previamente desenroscado.

Podrá conocer las configuraciones probadas en la práctica de sistemas de calefacción monotubo y las opciones de instalación en otro artículo de nuestro sitio web.

Sistema de calefacción bitubo

Al igual que en el sistema monotubo, existen distribuciones horizontal y vertical, pero aquí hay tanto una tubería de suministro como una de retorno. Todos los radiadores se calientan por igual. Un tipo se diferencia del otro en que en el primer caso hay un montante único y todos los dispositivos de calefacción están conectados a él.

Los esquemas bitubulares se encuentran con mayor frecuencia en la construcción de edificios de varias plantas, cuando se requiere que una sola caldera caliente eficazmente todo el edificio.

El esquema vertical prevé la conexión de los radiadores a un montante dispuesto verticalmente. Su ventaja es que en un edificio de varias plantas, cada piso se conecta al montante de forma individual.

Una característica del esquema bitubular es la presencia de tuberías que llegan a cada radiador: una de ida y otra de retorno. Para la conexión de los dispositivos de calefacción existen 2 esquemas. Uno de ellos es el esquema de colectores, donde desde los colectores llegan 2 tuberías al radiador.

El esquema se caracteriza por una instalación compleja y un gran consumo de material, pero permite regular la temperatura en cada estancia.

La segunda — el esquema paralelo es más simple. Las columnas se instalan en el perímetro de la casa, y a ellas se conectan los radiadores. Por todo el piso pasa una tubería horizontal y las columnas están conectadas a ella.

Los componentes de dicho sistema son:

• caldera;
• válvula de seguridad;
• manómetro;
• purgador de aire automático;
• válvula termostática;
• radiadores;
• bomba;
• filtro;
• dispositivo de equilibrado;
• tanque;
• válvula.

Antes de proceder a la instalación, se debe resolver la cuestión del tipo de portador de energía. Luego, se instala la caldera en una sala de calderas separada o en el sótano. Lo principal es que haya una buena ventilación. Se instala el colector, si está previsto en el proyecto, y la bomba. Junto a la caldera se monta el equipo de regulación y medición.

A cada futuro radiador se lleva la tubería principal, luego se instalan los propios radiadores. Se cuelgan los aparatos de calefacción en soportes especiales de modo que queden a unos 10-12 cm del suelo y 2-5 cm de las paredes. Se equipan las aberturas de los aparatos en la entrada y salida con dispositivos de cierre y regulación.

El proceso de instalación de un sistema de dos tubos consta de varias etapas. La primera de ellas es la colocación de la caldera. Primero se llevan las tuberías a los lugares de instalación de los radiadores y solo después se montan los propios radiadores.

Después de instalar todos los componentes del sistema, se realiza una prueba de presión. Esta tarea debe ser realizada por profesionales, ya que solo ellos pueden emitir el documento correspondiente.

Las características detalladas del sistema de calefacción de dos tubos están descritas aquí; en el artículo se presentan varios esquemas y se analizan.

Conclusiones y video útil sobre el tema

En este material de video se presenta un ejemplo de cálculo hidráulico detallado de un sistema de calefacción de 2 tubos de tipo cerrado para una casa de 2 pisos en el programa VALTEC.PRG:

Aquí se explica detalladamente el diseño de un sistema de calefacción de un solo tubo:

Es posible realizar la instalación de la versión cerrada del sistema de calefacción por sí mismo, pero no se puede prescindir de la consulta de especialistas. La clave del éxito es un proyecto bien ejecutado y materiales de calidad.

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