Cálculo del calentador: cómo calcular la potencia del aparato para calentar el aire para la calefacción

Los calefactores tienen un alto rendimiento, por lo que con su ayuda se pueden calentar incluso habitaciones muy grandes en un tiempo bastante corto. Se venden muchos modelos de estos aparatos que funcionan con diferentes fluidos térmicos.

Para elegir la opción óptima, se necesita un cálculo del calefactor, que se puede realizar manualmente o utilizando una calculadora en línea. Le ayudaremos a comprender el tema de los cálculos – en este artículo proporcionaremos un ejemplo de cálculos que necesitará al elegir el dispositivo adecuado para calentar el aire.

Y también consideraremos las características de diseño de los diferentes tipos de calefactores, las ventajas y desventajas del sistema de calefacción que utiliza dichos aparatos.

Ventajas y desventajas de la calefacción con calefactor

El sistema de calefacción del hogar, basado en el suministro de aire calentado a la temperatura establecida directamente en la casa, es de particular interés para los propietarios de viviendas.

Dicha construcción del sistema de calefacción consta de los siguientes componentes importantes:

• calefactor, que actúa como generador de calor, calentando el aire;
• canales (conductos de aire) a través de los cuales las masas de aire calentado ingresan a la casa;
• ventilador, que dirige el aire bien calentado por todo el volumen de la habitación.

Las ventajas de este tipo de sistema son muchas. Incluyen un alto rendimiento, la ausencia de elementos auxiliares para el intercambio de calor en forma de radiadores, tuberías, la posibilidad de combinarlo con un sistema climático, y una baja inercia, como resultado de lo cual el calentamiento de grandes volúmenes ocurre muy rápidamente.

Para muchos propietarios de viviendas, la desventaja es que la instalación del sistema solo es posible al mismo tiempo que la construcción de la propia casa y luego no es posible una modernización posterior.

Otro inconveniente es el detalle de la necesidad de disponer de alimentación de respaldo y la necesidad de un mantenimiento técnico regular.

El calefactor es sencillo de instalar y utilizar, tiene un precio asequible, pero lo principal es que es un dispositivo eficaz para calentar una habitación. En la foto, un calefactor de agua instalado en el sistema.

En nuestro sitio web hay materiales más detallados sobre el sistema de calefacción por aire en casas y chalets. Le recomendamos que los consulte:

• Calefacción por aire hecha por uno mismo: todo sobre sistemas de calefacción por aire
• Cómo instalar calefacción por aire en una casa de campo: reglas y esquemas de construcción
• Cálculo de la calefacción por aire: principios básicos + ejemplo de cálculo

Clasificación de los calefactores

Los calefactores se incluyen en el diseño del sistema de calefacción para calentar el aire. Existen los siguientes grupos de estos aparatos según el tipo de fluido térmico utilizado: de agua, eléctricos, de vapor, de fuego.

Tiene sentido utilizar aparatos eléctricos para habitaciones de hasta 100 m². Para edificios con áreas más grandes, la opción más racional serán los calefactores de agua, que solo funcionan si hay una fuente de calor.

Los más populares son los de vapor y los caloríferos de agua. Tanto los primeros como los segundos, según la forma de la superficie, se dividen en dos subtipos: aleteados y de tubo liso. Los caloríferos aleteados, según la geometría de las aletas, pueden ser de placas o de espiral enrollada.

El rendimiento de los calefactores que funcionan con un fluido térmico como el vapor se regula mediante válvulas especiales instaladas en la tubería de entrada.

Según el diseño, estos aparatos pueden ser de un solo paso, cuando el fluido térmico se mueve a través de los tubos manteniendo una dirección constante, y de múltiples pasos, en cuyas tapas hay deflectores, por lo que la dirección del movimiento del fluido térmico cambia constantemente.

Se venden 4 modelos de calefactores de agua y de vapor, que se diferencian por el área de la superficie de calentamiento:

• SM — la más pequeña con una fila de tubos;
• M — la pequeña con dos filas de tubos;
• S — la mediana con tubos en 3 filas;
• B — la grande, que tiene 4 filas de tubos.

Los calefactores de agua soportan grandes variaciones de temperatura durante su funcionamiento: 70-110 °C. Para un buen funcionamiento de este tipo de calefactor, el agua que circula en el sistema debe calentarse hasta un máximo de 180 °C. En la temporada cálida, el calefactor puede funcionar como ventilador.

Diseño de diferentes tipos de calefactores

El calefactor de agua para calefacción consta de un cuerpo metálico, un intercambiador de calor en forma de serie de tubos y un ventilador. En el extremo del equipo hay tuberías de entrada a través de las cuales se conecta a la caldera o al sistema de calefacción centralizado.

Por lo general, el ventilador se encuentra en la parte trasera del aparato. Su función es hacer pasar el aire a través del intercambiador de calor.

Después del calentamiento, a través de la rejilla situada en la parte frontal del calefactor, el aire regresa a la habitación.

La mayoría de las veces, el cuerpo se fabrica en forma rectangular, pero existen modelos diseñados para conductos de ventilación de sección circular. En la tubería de alimentación se instalan válvulas de dos o tres vías para ajustar la potencia del equipo.

El ventilador sopla sobre los tubos ubicados en el cuerpo del calefactor. Por los tubos circula agua caliente del sistema de calefacción, y el ventilador distribuye uniformemente el aire caliente por la habitación.

Los calefactores también se diferencian por el método de montaje: existen modelos de techo y de pared. Los del primer tipo se colocan detrás de un falso techo, solo la rejilla sobresale. Los aparatos de pared son más populares.

Tipo #1 – calefactores de tubo liso

La estructura de tubos lisos consiste en elementos calefactores en forma de tubos finos huecos de 20 a 32 mm de diámetro, colocados a una distancia de 0,5 cm entre sí. Por ellos circula el fluido caloportador. El aire, al lavar las superficies calientes de los tubos, se calienta gracias al intercambio convectivo de calor.

Los tubos en el calentador de aire se disponen en orden al tresbolillo o en línea. Sus extremos están soldados a los colectores: superior e inferior. El fluido caloportador entra en la caja de distribución a través de la tubería de entrada, luego, después de pasar por los tubos y calentarlos, sale por la tubería de salida en forma de condensado o agua enfriada.

Una transferencia de calor más estable la proporcionan los aparatos con disposición al tresbolillo de los tubos, pero la resistencia al flujo de aire es mayor aquí. Es necesario realizar el cálculo de la potencia del equipo para conocer las capacidades reales del dispositivo.

Al aire se le exigen ciertos requisitos: no debe tener fibras, partículas en suspensión ni sustancias pegajosas. El contenido de polvo permitido es inferior a 0,5 mg/m³. La temperatura de entrada es de al menos 20 °C.

Calefactores de un paso y de tres pasos. 1 – tubo de entrada por donde ingresa el fluido térmico, 2 – caja de distribución, 3 – tubo, 4 – tubo de salida, 5 – tabique.

Las características térmicas de los calefactores de tubos lisos no son muy altas. Su uso es recomendable cuando no se requiere un caudal de aire significativo ni un calentamiento a alta temperatura.

Tipo #2 – calentadores de aire con aletas

Los tubos de los aparatos aleteados tienen superficie con aletas, por lo tanto, su transferencia de calor es mayor. Con una menor cantidad de tubos, sus características térmicas son superiores a las de los aerotermos de tubos lisos.

Los calefactores de placas están compuestos por tubos con placas montadas en ellos — rectangulares o redondas.

El primer tipo de placas se monta sobre un grupo de tubos. El fluido térmico ingresa a la caja de distribución del aparato a través de un racor, calienta el aire que pasa a gran velocidad por canales de pequeño diámetro, y luego sale de la caja colectora a través de un racor.

Los calefactores de este tipo son compactos, fáciles de mantener e instalar.

Los aparatos de placas de un paso se designan: KFB, KFS, KVB, STD3009V, KZPP, K4PP, y los de varios pasos: KVB, K4VP, KZVP, KVS, KMS, STDZOYUG, KMB. El modelo mediano tiene la designación KFS, y el grande, KFB.

En los tubos de estos calefactores se enrolla una cinta de acero corrugada de 1 cm de ancho y 0,4 mm de espesor. El fluido térmico para ellos puede ser tanto vapor como agua.

Los calefactores de agua no se deben conectar con tuberías de metal-plástico o polímero, ya que no están diseñadas para la alta temperatura del fluido térmico. Se necesitan tuberías de acero, preferiblemente galvanizadas, para evitar la corrosión.

La primera está equipada con tres filas de tubos, y la segunda con cuatro. Las placas del modelo mediano tienen un espesor de 0,5 mm y dimensiones de 11,7 x 13,6 cm. Las placas del modelo grande, del mismo espesor y ancho, se diferencian por su mayor longitud: 17,5 cm.

Las placas están separadas entre sí por 0,5 cm y tienen una disposición en zigzag, mientras que en los modelos de tipo mediano las placas están dispuestas en línea.

Los aerotermos con la marca STD tienen 5 números (5, 7, 8, 9, 14). En los calefactores STD4009V el fluido térmico es vapor, y en los STD3010G es agua. La instalación de los primeros se realiza con orientación vertical de los tubos, y de los segundos, con orientación horizontal.

Tipo #3 – calefactores bimetálicos con aletas

En los sistemas de calefacción con calentamiento de aire, se utilizan con frecuencia modelos de calefactores bimetálicos KP3-SK, KP4-SK, KSK-3 y KSK-4 con un tipo especial de aleteado: helicoidal. El fluido térmico para los calefactores KP3-SK, KP4-SK es agua caliente con una presión máxima de 1,2 MPa y una temperatura máxima de 180⁰.

Para el funcionamiento de los otros dos aerotermos se requiere vapor con la misma presión de trabajo que para los primeros, pero con una temperatura ligeramente mayor: 190⁰. Los fabricantes realizan obligatoriamente pruebas de aceptación. También prueban los aparatos en cuanto a estanqueidad.

El intercambiador de calor del calentador KSC está formado por tubos de acero con aletas de aluminio. Las placas tubulares los conectan.

Existen dos líneas de calentadores bimetálicos: KSK3 y KPZ, que tienen 3 filas de tubos y se consideran medianos, mientras que KSK4 y KP4, con 4 filas de tubos, son modelos grandes. Estos dispositivos están compuestos por elementos de intercambio de calor bimetálicos, paneles laterales, rejillas de tubos y tapas con divisores.

El elemento de intercambio de calor consiste en dos tubos: un tubo interior de acero de 1,6 cm de diámetro, sobre el cual se monta un tubo exterior de aluminio con aletas. El intervalo transversal entre los tubos de transferencia de calor es de 4,15 cm, y el longitudinal, de 3,6 cm.

Reglas de cálculo y selección del equipo adecuado

Al diseñar un sistema de calefacción con uno o varios calentadores, y al realizar los cálculos, se deben seguir una serie de reglas. Las detallamos a continuación en la selección de fotos.

Cálculo del calefactor de agua

Para calcular la potencia de un calentador de agua o vapor se necesitan los siguientes parámetros iniciales:

1. Capacidad del sistema, es decir, la cantidad de aire desplazado por hora. La unidad de medida del caudal volumétrico es m³/h, y del másico, kg/h. La notación convencional es L.
2. Temperatura inicial o exterior: t_ext.
3. Temperatura final del aire: t_fin.
4. Densidad y capacidad calorífica del aire a una temperatura determinada: los datos se obtienen de tablas.

Primero se calcula el área de la sección frontal del dispositivo de calentamiento de aire. Conociendo este valor, se obtienen las dimensiones preliminares del equipo con un margen.

Para el cálculo se utiliza la fórmula:

Af = Lρ / 3600 (ϑρ),

Donde L es el caudal volumétrico de aire o la capacidad en m³/h, ρ es la densidad del aire exterior medida en kg/m³, ϑρ es la velocidad másica del aire en la sección calculada, medida en kg/(cm²).

Una vez obtenido este parámetro, para los cálculos posteriores se toma el tamaño estándar del calefactor más cercano en dimensiones. Si el valor final del área es grande, se instalan en paralelo varias unidades idénticas, cuyas áreas sumadas equivalen al valor obtenido.

Con el nombre de calefactores no solo se designan dispositivos para intercambio de calor, sino también enfriadores de aire que funcionan con agua fría, los cuales gozan de mucha menos popularidad.

Para determinar la potencia necesaria para calentar un volumen específico de aire, es preciso conocer el caudal total de aire calentado en kg por hora mediante la fórmula:

G = L x p,

Donde p es la densidad del aire en condiciones de temperatura media. Se determina sumando las temperaturas de entrada y salida del equipo y luego dividiendo entre 2. Los valores de densidad se toman de la tabla.

De esta tabla se pueden obtener los datos de densidad y capacidad calorífica específica del aire a una temperatura determinada para calcular la potencia del dispositivo.

Ahora se puede calcular el consumo de calor para calentar el aire, para lo cual se aplica la siguiente fórmula:

Q (W) = G x c x (t fin. – t ini.),

Donde G es el caudal másico de aire en kg/h. También se tiene en cuenta en el cálculo la capacidad calorífica específica del aire medida en J/(kg x K). Depende de la temperatura del aire de entrada, y sus valores se encuentran en la tabla anterior. La temperatura de entrada al dispositivo y de salida del mismo se denotan como t ini. y t fin. respectivamente.

Supongamos que se debe seleccionar un calefactor con un caudal de 10 000 m³/h, que caliente el aire hasta 20⁰ con una temperatura exterior de -30⁰. El fluido caloportador es agua, con una temperatura de entrada al equipo de 95⁰ y de salida de 50⁰.

Caudal másico de la masa de aire: G = 10 000 m³/h x 1,318 kg/m³ = 13 180 kg/h.

Valor de la densidad: ρ = (-30 + 20) = -10, al dividir este resultado por la mitad se obtuvo -5. De la tabla se seleccionó la densidad correspondiente a la temperatura media.

Sustituyendo el resultado obtenido en la fórmula, se obtiene el consumo de calor: Q = 13 180 /3600 x 1013 x 20 – (-30) = 185 435 W. Aquí 1013 es la capacidad calorífica específica, seleccionada de la tabla a una temperatura de – 30⁰ en J/(kg x K). A la potencia calculada del calefactor se le añade un margen del 10 al 15%.

La razón es que los parámetros tabulados a menudo difieren de los reales en sentido de reducción, y el rendimiento térmico del equipo, debido a la obstrucción de los tubos, disminuye con el tiempo. No es deseable superar el valor del margen.

Con un aumento significativo de la superficie de calefacción, puede ocurrir un sobreenfriamiento e incluso descongelación durante heladas severas.

En el calentador de vapor, el fluido caloportador se introduce por la parte superior, y el agua resultante de la condensación del vapor de escape se drena por la parte inferior. En la foto se muestra el esquema de tuberías del calentador de vapor.

La potencia de los calentadores de vapor se calcula de la misma manera que la de los calentadores de agua. Solo difiere la fórmula de cálculo del fluido caloportador:

G = Q / r,

Donde r es el calor específico que se libera durante la condensación del vapor, medido en kJ/kg.

Cálculo del calefactor eléctrico

Los fabricantes en los catálogos de calentadores eléctricos suelen indicar la potencia instalada y el caudal de aire, lo que simplifica considerablemente la selección. Lo principal es que los parámetros no sean inferiores a los indicados en la ficha técnica; de lo contrario, el equipo fallará rápidamente.

La estructura del calentador incluye varios elementos calefactores eléctricos especiales, cuya superficie se aumenta mediante el prensado de aletas.

La potencia de los equipos puede ser muy grande, a veces de cientos de kilovatios. Hasta 3,5 kW, el calentador puede alimentarse desde un tomacorriente de 220 V, y para voltajes superiores se requiere una conexión con un cable independiente directamente al cuadro eléctrico. Si es necesario utilizar un calentador con una potencia superior a 7 kW, se necesitará una alimentación de 380 V.

Estos equipos tienen dimensiones y peso reducidos, son completamente autónomos y no requieren la presencia de un suministro centralizado de agua caliente o vapor.

Una desventaja significativa es la baja potencia, insuficiente para su uso en grandes superficies. La segunda desventaja es el alto consumo de electricidad.

Del cálculo del calentador se deduce que el resultado de su uso es un ahorro significativo de recursos energéticos. A veces, este equipo se combina con un recuperador y entonces la toma de aire se realiza no desde el exterior, sino desde el interior del local.

Para conocer la corriente que consume el calentador, se puede utilizar la fórmula:

I = P /U,

Donde P es la potencia y U es la tensión de alimentación.

En una conexión monofásica del calentador, U se considera igual a 220 V. En una conexión trifásica, a 660 V.

La temperatura a la que un calentador de una potencia determinada calienta la masa de aire se determina mediante la fórmula:

T =2.98 x P/ L,

Donde L  – el rendimiento del sistema. Los valores óptimos de potencia del calentador para el hogar son de 1 a 5 kW, y para oficinas, de 5 a 50 kW.

Conclusiones y video útil sobre el tema

Qué densidad del aire considerar en el cálculo se explica en este video:

Video sobre cómo funciona el calentador en el sistema de calefacción:

Al elegir un tipo específico de calentador, se debe partir de consideraciones de conveniencia y características operativas de la vivienda.

Para áreas pequeñas, una buena adquisición será un calentador eléctrico, pero para calentar una casa grande es mejor elegir otra opción. En cualquier caso, no se puede prescindir de un cálculo previo.

¿Se maneja bien en la selección y cálculo de un calefactor? ¿Quizás desea compartir recomendaciones útiles para elegir un calefactor o señalar un error o inexactitud en los cálculos del material anterior? Deje su comentario debajo de este artículo – su opinión puede ser útil para las personas que están eligiendo el calefactor adecuado para su hogar.