Sistema de calefacción con circulación natural: esquemas comunes de circuitos de agua

La construcción de una red de calefacción autónoma de tipo gravitacional se elige si no es conveniente, y a veces imposible, instalar una bomba de circulación o conectarse al suministro eléctrico centralizado.

Este sistema resulta más económico en su instalación y es completamente independiente de la electricidad. Sin embargo, su funcionamiento depende en gran medida de la precisión del diseño.

Para que el sistema de calefacción con circulación natural funcione sin interrupciones, es necesario calcular sus parámetros, instalar correctamente los componentes y elegir de manera justificada el esquema del circuito de agua. Lo ayudaremos en la solución de estos problemas.

Hemos descrito los principales principios de funcionamiento del sistema gravitacional, hemos dado consejos sobre la selección de tuberías, hemos señalado las reglas de montaje del circuito y la ubicación de los componentes de trabajo. Hemos prestado especial atención a las características de diseño y funcionamiento de los esquemas de calefacción de uno y dos tubos.

Principios del proceso de circulación natural

El proceso de movimiento del agua en el circuito de calefacción sin el uso de una bomba de circulación ocurre debido a las leyes físicas naturales.

Comprender la naturaleza de estos procesos permitirá diseñar adecuadamente un proyecto de sistema de calefacción para casos típicos y atípicos.

Diferencia máxima de presión hidrostática

La propiedad física fundamental de cualquier fluido caloportador (agua o anticongelante) que favorece su movimiento por el circuito en circulación natural es la disminución de la densidad al aumentar la temperatura.

La densidad del agua caliente es menor que la del agua fría, por lo que se produce una diferencia en la presión hidrostática entre la columna de líquido caliente y la fría. El agua fría, al fluir hacia el intercambiador de calor, desplaza el agua caliente hacia arriba por la tubería.

La fuerza motriz del agua en el circuito en circulación natural es la diferencia de presión hidrostática entre las columnas de líquido fría y caliente.

El circuito de calefacción de la casa se puede dividir convencionalmente en varios fragmentos. Por los fragmentos “calientes”, el agua se dirige hacia arriba, y por los “fríos”, hacia abajo. Los límites de los fragmentos son los puntos superior e inferior del sistema de calefacción.

La tarea principal al modelar un sistema de circulación natural del agua es lograr la máxima diferencia posible entre la presión de la columna de líquido en los fragmentos “caliente” y “frío”.

El elemento clásico del circuito de agua para la circulación natural es el colector de aceleración (columna principal) – un tubo vertical que se dirige hacia arriba desde el intercambiador de calor.

El colector de aceleración debe tener la temperatura máxima, por lo que se aísla en toda su longitud. Aunque, si la altura del colector no es grande (como en casas de una planta), se puede prescindir del aislamiento, ya que el agua no tendrá tiempo de enfriarse.

Normalmente, el sistema se diseña de modo que el punto superior del colector de aceleración coincida con el punto superior de todo el circuito. Allí se instala una salida a un depósito de expansión de tipo abierto o una válvula para purgar el aire, si se utiliza un depósito de membrana.

Entonces, la longitud del fragmento “caliente” del circuito es la mínima posible, lo que conduce a una reducción de las pérdidas de calor en esa sección.

También es deseable que el fragmento “caliente” del circuito no se combine con un tramo largo que transporte el fluido caloportador enfriado. Idealmente, el punto inferior del circuito de agua coincide con el punto inferior del intercambiador de calor ubicado en el dispositivo de calefacción.

Cuanto más abajo esté situada la caldera en el sistema de calefacción, menor será la presión hidrostática de la columna de líquido en el fragmento caliente del circuito.

Para el segmento “frío” del circuito de agua también existen sus propias reglas que aumentan la presión del líquido:

• Cuanto mayores sean las pérdidas de calor en el tramo “frío” de la red de calefacción, menor será la temperatura del agua y mayor su densidad, por lo que el funcionamiento de los sistemas con circulación natural solo es posible con una transferencia de calor significativa;
• Cuanto mayor sea la distancia desde el punto inferior del circuito hasta la conexión de los radiadores, mayor será la sección de la columna de agua con temperatura mínima y densidad máxima.

Para garantizar el cumplimiento de la última regla, a menudo se instala la estufa o la caldera en el punto más bajo de la casa, por ejemplo, en el sótano. Con esta ubicación de la caldera se asegura la máxima distancia posible entre el nivel inferior de los radiadores y el punto de entrada del agua al intercambiador de calor.

Sin embargo, la altura entre los puntos inferior y superior del circuito de agua en circulación natural no debe ser demasiado grande (en la práctica, no más de 10 metros). La estufa o caldera calienta solo el intercambiador de calor y la parte inferior del colector de aceleración.

Si este fragmento es insignificante en relación con toda la altura del circuito de agua, entonces la caída de presión en el fragmento “caliente” del circuito será insignificante y no se iniciará el proceso de circulación.

El uso de sistemas con circulación natural en edificios de dos plantas está plenamente justificado, pero para una mayor altura será necesaria una bomba de circulación

Minimización de la resistencia al movimiento del agua

Al diseñar un sistema con circulación natural, es necesario tener en cuenta la velocidad de movimiento del refrigerante a lo largo del circuito.

En primer lugar, cuanto más rápida sea la velocidad, más rápido se producirá la transferencia de calor a través del sistema “caldera – intercambiador de calor – circuito de agua – radiadores de calefacción – habitación”.

En segundo lugar, cuanto más rápida sea la velocidad del líquido a través del intercambiador de calor, menor será la probabilidad de que hierva, lo cual es especialmente importante en la calefacción por estufa.

La ebullición del agua en el sistema puede resultar muy costosa: el costo del desmontaje, reparación y reinstalación del intercambiador de calor requiere mucho tiempo y recursos

En los sistemas de calefacción con circulación forzada, la velocidad del agua depende principalmente de los parámetros de la bomba de circulación.

En la calefacción por agua con circulación natural, la velocidad depende de los siguientes factores:

• diferencia de presión entre los fragmentos del circuito en su punto inferior;
• resistencia hidrodinámica del sistema de calefacción.

Los métodos para garantizar la máxima diferencia de presión se han revisado anteriormente. La resistencia hidrodinámica de un sistema real no se puede calcular con precisión debido a un modelo matemático complejo y a la gran cantidad de datos de entrada, cuya exactitud es difícil de garantizar.

Sin embargo, existen reglas generales, cuyo cumplimiento permitirá reducir la resistencia del circuito de calefacción.

Las principales causas de la reducción de la velocidad del agua son la resistencia de las paredes de las tuberías y la presencia de estrechamientos debido a la existencia de racores o válvulas de cierre. A baja velocidad de flujo, la resistencia de las paredes prácticamente no existe.

La excepción son los tubos largos y finos, típicos de la calefacción mediante suelo radiante. Por lo general, se asignan circuitos separados con circulación forzada para este sistema.

Al seleccionar los tipos de tuberías para un circuito de circulación natural, se deben considerar las restricciones técnicas durante la instalación del sistema. Por lo tanto, no es recomendable utilizar tuberías de metal-plástico en la circulación natural del agua, debido a que se conectan mediante accesorios con un diámetro interno significativamente menor.

Los racores de los tubos de metal-plástico reducen ligeramente el diámetro interno y constituyen un serio obstáculo para el flujo de agua cuando la presión es baja (+).

Reglas de selección e instalación de tuberías

La elección entre tuberías de acero o tuberías de polipropileno para cualquier tipo de circulación se realiza según el criterio de su idoneidad para agua caliente, así como desde el punto de vista del precio, la facilidad de instalación y la vida útil.

La columna de alimentación se instala con tubería metálica, ya que por ella circula agua de la temperatura más alta, y en caso de calefacción por estufa o de fallo del intercambiador de calor, es posible que pase vapor.

En la circulación natural, es necesario utilizar un diámetro de tubería algo mayor que en el caso de usar una bomba de circulación. Generalmente, para calentar espacios de hasta 200 m², el diámetro del colector de aceleración y del tubo de retorno a la entrada del intercambiador de calor es de 2 pulgadas.

Esto se debe a la menor velocidad del agua en comparación con el caso de circulación forzada, lo que conlleva los siguientes problemas:

• reducción del volumen de calor transferido por unidad de tiempo desde la fuente hasta la habitación calentada;
• aparición de obstrucciones o bolsas de aire, que una presión baja no podrá eliminar.

Se debe prestar especial atención al problema de la eliminación de aire del sistema cuando se utiliza circulación natural con un esquema de alimentación inferior. El aire no puede drenarse completamente del refrigerante a través del vaso de expansión, ya que el agua hirviendo primero llega a los radiadores a través de una tubería principal ubicada por debajo de ellos.

En la circulación forzada, la presión del agua empuja el aire hacia el purgador de aire instalado en el punto más alto del sistema – un dispositivo con control automático, manual o semiautomático. Con la ayuda de válvulas de purga (tipo Mayevski) se realiza principalmente el ajuste de la transferencia de calor.

En redes de calefacción por gravedad con la alimentación ubicada debajo de los aparatos, los grifos de Maevski se utilizan directamente para purgar el aire.

En todos los radiadores de calefacción de tipo moderno hay dispositivos para la salida de aire, por lo que para evitar la formación de bolsas de aire en el circuito se puede hacer una pendiente, empujando el aire hacia el radiador.

El aire también puede evacuarse mediante purgadores instalados en cada columna o en la línea de aire dispuesta paralelamente a las tuberías principales del sistema. Debido a la considerable cantidad de dispositivos para la evacuación de aire, los esquemas por gravedad con distribución inferior se utilizan muy raramente.

Con poca presión, una pequeña bolsa de aire puede detener completamente el sistema de calefacción. Así, según SNiP 41-01-2003, no se permite tender tuberías de sistemas de calefacción sin pendiente cuando la velocidad del agua es inferior a 0,25 m/s.

Con circulación natural, tales velocidades son inalcanzables. Por lo tanto, además de aumentar el diámetro de las tuberías, es necesario mantener pendientes constantes para eliminar el aire del sistema de calefacción. La pendiente se diseña a razón de 2-3 mm por 1 metro; en redes de apartamentos, la inclinación alcanza los 5 mm por metro lineal de línea horizontal.

La pendiente de la tubería de suministro se realiza en la dirección del flujo de agua para que el aire se dirija hacia el depósito de expansión o hacia el sistema de purga de aire situado en el punto superior del circuito. Aunque también se puede hacer una contrapendiente, en ese caso es necesario instalar adicionalmente una válvula para purgar el aire.

La pendiente de la tubería de retorno se hace, por regla general, en la dirección del movimiento del agua enfriada. Entonces el punto inferior del circuito coincidirá con la entrada del tubo de retorno al generador de calor.

La combinación más común de la dirección de la pendiente de las tuberías de alimentación y retorno para eliminar bolsas de aire del circuito de agua con circulación natural

Al instalar un suelo radiante de pequeña superficie en un circuito de circulación natural, es necesario evitar que entre aire en las tuberías estrechas y dispuestas horizontalmente de este sistema de calefacción. Es necesario colocar un dispositivo de purga de aire antes del suelo radiante.

Esquemas de calefacción de uno y dos tubos

Al diseñar el esquema de calefacción de una casa con circulación natural de agua, es posible proyectar tanto un circuito como varios circuitos independientes. Pueden diferir significativamente entre sí. Independientemente de la longitud, la cantidad de radiadores y otros parámetros, se realizan según un esquema de una o dos tuberías.

Circuito utilizando una sola tubería principal

El sistema de calefacción que utiliza el mismo tubo para suministrar agua a los radiadores en serie se denomina monotubo. La opción monotubo más simple es la calefacción con tuberías metálicas sin usar radiadores.

Es la forma más económica y menos problemática de calentar una casa cuando se opta por la circulación natural del refrigerante. La única desventaja significativa es el aspecto de las voluminosas tuberías.

En la variante más económica del esquema monotubo con radiadores de calefacción, el agua caliente fluye secuencialmente a través de cada dispositivo. Aquí se requiere la cantidad mínima de tuberías y válvulas de cierre.

A medida que avanza, el fluido caloportador se enfría, por lo que los radiadores siguientes reciben agua más fría, lo que debe tenerse en cuenta al calcular el número de secciones.

El esquema monotubo simple (arriba) requiere una cantidad mínima de trabajo de instalación e inversión. La opción más compleja y costosa de abajo permite desconectar los radiadores sin detener todo el sistema.

La forma más eficaz de conectar los dispositivos de calefacción a una red monotubo es la opción diagonal.

Según este esquema de circuitos de calefacción con circulación natural, el agua caliente ingresa al radiador por la parte superior y, después de enfriarse, sale a través del tubo inferior. Al pasar de esta manera, el agua caliente libera la máxima cantidad de calor.

Cuando la conexión a la batería es inferior tanto para el tubo de entrada como para el de salida, la transferencia de calor se reduce significativamente porque el refrigerante caliente debe recorrer el camino más largo posible. Debido al considerable enfriamiento, en tales esquemas no se utilizan baterías con un gran número de secciones.

La «Leningradka» se caracteriza por importantes pérdidas de calor que deben tenerse en cuenta al calcular el sistema. Su ventaja es que, al utilizar válvulas de cierre en los tubos de entrada y salida, se pueden desconectar selectivamente los dispositivos para reparaciones sin detener el ciclo de calefacción (+).

Los circuitos de calefacción con una conexión similar de radiadores recibieron el nombre “Leningradka“. A pesar de las pérdidas de calor señaladas, se les da preferencia en la instalación de sistemas de calefacción de apartamentos, debido a la apariencia más estética del tendido de tuberías.

Una desventaja significativa de las redes monotubo es la imposibilidad de desconectar una de las secciones de calefacción sin detener la circulación de agua por todo el circuito.

Por lo tanto, generalmente se aplica una modernización del esquema clásico con la instalación de un “bypass” para desviar el radiador mediante una derivación con dos llaves de paso o una llave de tres vías. Esto permite regular el suministro de agua al radiador, hasta su desconexión total.

Para edificios de dos o más plantas se utilizan variantes del esquema monotubo con montantes verticales. En este caso, la distribución de agua caliente es más uniforme que con montantes horizontales. Además, los montantes verticales son menos extensos y se integran mejor en el interior de la casa.

El esquema monotubo con distribución vertical se aplica con éxito en la calefacción de espacios de dos plantas utilizando circulación natural. Se presenta una variante con posibilidad de desconexión de los radiadores superiores.

Variante con el uso de tubería de retorno

Cuando se utiliza un tubo para suministrar agua caliente a los radiadores y otro para devolver el agua enfriada a la caldera o estufa, este esquema de calefacción se denomina bitubo. Este sistema, con radiadores de calefacción, se usa con más frecuencia que el monotubo.

Es más costosa, ya que requiere la instalación de un tubo adicional, pero tiene una serie de ventajas significativas:

• distribución más uniforme de la temperatura del fluido caloportador suministrado a los radiadores;
• es más sencillo realizar el cálculo de la dependencia de los parámetros de los radiadores con el área de la habitación a calentar y los valores de temperatura necesarios;
• la regulación del suministro de calor a cada radiador es más eficiente.

Dependiendo de la dirección del movimiento del agua enfriada en relación con el agua caliente, los sistemas de dos tubos se dividen en paralelos y sin salida. En los esquemas paralelos, el movimiento del agua enfriada ocurre en la misma dirección que la del agua caliente, por lo que la duración del ciclo para todo el circuito coincide.

En los esquemas sin salida, el agua enfriada se mueve en dirección contraria a la caliente, por lo que para diferentes radiadores las longitudes de los ciclos de circulación del fluido caloportador difieren. Dado que la velocidad en el sistema es baja, el tiempo de calentamiento puede diferir significativamente. Los radiadores con una longitud de ciclo de circulación de agua más corta se calentarán más rápido.

Al elegir entre esquemas de calefacción sin salida y paralelos, se considera principalmente la conveniencia de tender la tubería de retorno.

Existen dos tipos de disposición de la conexión con respecto a los radiadores de calefacción: superior e inferior. Con la conexión superior, la tubería que suministra agua caliente se encuentra por encima de los radiadores de calefacción, y con la conexión inferior, por debajo.

Con la conexión inferior, es posible purgar el aire a través de los radiadores y no es necesario tender tuberías por encima, lo cual es bueno desde el punto de vista del diseño de la habitación.

Sin embargo, sin un colector de aceleración, la caída de presión será mucho menor que con la conexión superior. Por lo tanto, la conexión inferior apenas se utiliza en la calefacción de espacios por circulación natural.

Conclusiones y video útil sobre el tema

Organización de un esquema monotubo basado en una caldera eléctrica para una casa pequeña:

Funcionamiento de un sistema bitubo para una casa de madera de una planta basado en una caldera de combustible sólido de combustión prolongada:

El uso de la circulación natural en el movimiento del agua en el circuito de calefacción requiere cálculos precisos y una ejecución técnicamente competente de los trabajos de instalación. Si se cumplen estas condiciones, el sistema de calefacción calentará adecuadamente las habitaciones de una casa particular y liberará a los propietarios del ruido de la bomba y de la dependencia de la electricidad.

Si tiene preguntas sobre el tema o desea compartir su experiencia personal en la organización y operación de un sistema de calefacción por gravedad, por favor, deje comentarios en este artículo. El bloque de comentarios se encuentra más abajo.