Cómo optimizar el diseño de sistemas de agua caliente

 Los proyectos en los que el componente energético es el objetivo principal pueden ser fáciles de realizar, otra cosa es optimizar el diseño y evitar derroches. Particularmente en grandes edificios con muchos usuarios, el diseño inexperto puede causar insatisfacción.

Veremos en este artículo cómo optimizar el sistema de agua caliente en una instalación que sirve a distintos usuarios distantes. Ilustramos este artículo con un ejemplo en un hospital originalmente diseñado como un circuito abierto, incluyendo dos calentadores que se alimentan con agua tratada desde un tanque elevado. Una columna de 30 m de altura es suficiente como para producir una presión satisfactoria en cada punto del sistema de distribución. El calor se suministró por el condensado de vapor retornado desde trampas de vapor instaladas a lo largo del sistema de distribución de vapor. El condensado se hizo pasar a través de un serpentín en el interior de los calentadores de agua. Seguidamente, el condensado fue reutilizado como agua de alimentación de la caldera. Después de dejar los calentadores el sistema de agua caliente se divide en varios ramales para proporcionar agua a los diferentes servicios.

Los ramales para diseñar los diferentes servicios tienen tuberías de retorno comenzando en calentadores individuales. Todas las tuberías de retorno se unen en un calentador de retorno simple alimentando un depósito buffer cuya entrada está controlada por una válvula de flotación en la que se suministra agua a los depósitos de reposición del agua de alimentación de la caldera. Por lo tanto, incluso aunque tenga tuberías de retorno, el sistema no es un circuito cerrado.

Tras recibir quejas de los pacientes por la inestabilidad del agua caliente se llevó a cabo un cuidadoso análisis de la operación del sistema y se acometió un nuevo diseño.

Evaluación del sistema

La presión del agua en la entrada y salida de los calentadores se controló y encontró correcta. La temperatura de salida del agua de los calentadores se encontró que era la esperada. El problema no era pues el sistema en sí mismo.

Posteriormente se evaluaron los puntos terminales, se encontró que la presión era adecuada pero la temperatura no.

Sin embargo, después de permitir que el agua circulase durante un tiempo, el agua caliente alcanzaba cada grifo, aunque en los grifos más alejados el tiempo requerido para conseguir agua caliente era elevado. Este comportamiento es una clara indicación de que el agua se estanca en el sistema de tuberías.

Tal y como se diseñó el sistema, la temperatura del agua se limita debido: a) consumo de agua por usuario, b) caudal del agua de retorno usada como reposición de la caldera al final del sistema de tuberías, c) cantidad de condensado retornado desde las trampas de vapor.

El consumo de agua caliente por los usuarios es un valor aleatorio y el sistema está muy ramificado. La extracción de agua en un punto terminal no mejora la circulación en otras ramas. Otra consideración a tener en cuenta es que durante algunos periodos del día y más durante la noche, la cantidad de agua consumida es muy limitada, por ello el agua se estanca y se enfría. Durante esos periodos el flujo de agua caliente depende casi exclusivamente del agua usada como reposición en la caldera. El agua de reposición de la caldera varía a lo largo del día dependiendo del consumo de vapor y también porque los usuarios de vapor consumen grandes cantidades.

Las condiciones de operación causan que el agua se estanque y se enfríe en el sistema de tuberías de forma que para obtener agua caliente en los puntos terminales la única forma es permitir que el agua circule durante bastante tiempo hacia los puntos terminales localizados.

Soluciones

Es evidente que la solución pasa por eliminar el estancamiento del agua en el interior del sistema de tuberías, creando un circuito de circulación cerrado a través del sistema incluyendo  los calentadores para evitar que se enfríe el agua caliente.

Se considera un error en el diseño inicial conectar el agua caliente y los sistemas de reposición de la caldera, haciendo que el primero dependa del caudal creado en el segundo. Se decidió separar los dos sistemas haciendo las siguientes modificaciones:

1)      Desconectar la tubería de retorno desde la entrada del depósito de amortiguación.

2)      Instalar una nueva tubería desde los calentadores de agua tratada al depósito de amortiguación para reemplazar el caudal de retorno previamente desconectado.

3)      Instalar dos bombas de circulación (una funcionando y una en stand-by) cuya succión se toma desde el calentador de retorno simple desconectado del tanque de amortiguación y cuya descarga se envía a la admisión de los calentadores de agua. La presión de estas bombas será solamente la necesaria para superar la fricción en el circuito cerrado.

En conclusión, el diseño de sistemas de tuberías es algo que debe estudiarse con cuidado ya que si bien parece una tarea relativamente simple el resultado final puede ser bien pobre.

Bibliografía: Redesigning a hot water system. World pumps September 2009