En este nuevo artículo dedicado a
las instalaciones térmicas explicamos la forma de dimensionar la bomba de
circulación del colector y los diámetros de las tuberías para un sistema solar
de calentamiento de agua y del espacio.
El requerimiento fundamental es
que necesitamos bombear un sistema hidráulico que impulse bastante fluido
caliente (típicamente agua) a través de los colectores solares para quitar
eficientemente el calor que el sol está depositando en ellos. Si el caudal es
demasiado pequeño, los colectores funcionan más calientes y menos eficientemente,
si el caudal es demasiado grande estaremos derrochando energía en la bomba y
aumentarán los costes iniciales del sistema.
Los pasos implicados en el
dimensionado de la bomba son los siguientes:
- Cálculo del caudal de los colectores.
- Medir la distancia vertical entre la parte suprior del colector y el nivel del agua del tanque.
- Cálculo de la caída de presión y velocidad de caudal en el sistema de distribución.
- Seleccionar una bomba que proporcione 1) el caudal estimado en el paso 1, 2) elevación vertical calculada en el paso 2, y 3) puede manejar la caída de presión calculada en el paso 3.
Descripción del circuito
Veamos un ejemplo, formado por 6
colectores de 40 sqft cada uno. Los colectores tienen tubos de subida
verticales de ½” (alrededor de 9 por colectores), y cabezales de 1” en la parte
superior e inferior. Los colectores se colocan lado a lado con colectores
conectados entre sí. Desde el punto de vista del caudal, esto pone a todos los
colectores en paralelo.
El agua es bombeada desde un
tanque de almacenamiento justo detrás y debajo de los colectores en el colector
más a la derecha.
El agua es bombeada desde un
depósito de almacenamiento justo detrás y debajo de los colectores más bajo en el
colector más a la izquierda.
El ejemplo que tratamos es con el
que abrimos esta entrada y cubre el dimensionado de la bomba (3), y las líneas
de alimentación y retorno al colector.
Se trata de un sistema drainback
(de drenaje), lo cual significa que cuando la bomba no está operando, todo el
fluido en el colector y sistema de distribución de agua drena al tanque de
almacenamiento por gravedad.
Esto proporciona protección anticongelante al
sistema.
1)
Cálculo del
caudal a los colectores
Los colectores necesitan tener
suficiente caudal para retirar el calor del colector bajo condiciones soleadas.
Este caudal puede calcularse conociendo la entrada de calor solar al colector y
la eficiencia del colector, pero es más fácil usar las recomendaciones del
fabricante. Datos típicos proporcionados por los fabricantes van de 25-150 l/hm2.
Conociendo la superficie total de
captadores podemos por tanto calcular fácilmente los caudales apropiados para
el sistema solar.
El número de colectores en
paralelo que conectemos en el sistema nos proporcionará la energía térmica pero
si conectamos demasiados colectores en paralelo el caudal no será uniforme.
2)
Medición de los
requerimientos de altura verticales
En un sistema drainback, cuando
el sol llega a los colectores, el controlador encenderá la bomba, y la bomba
debe ser capaz de bombear el agua de forma que la parte superior del colector
arranque el caudal. Para estar seguros que la bomba puede hacer esto, debemos
medir cuidadosamente la distancia vertical entre el nivel de agua en el tanque,
y la parte superior del colector. La bomba debe ser capaz de impulsar el agua
al menos esta distancia vertical.
Ya que los caudales son muy bajos
las pérdidas por fricción en la tubería no necesitan ser consideradas.
Una vez
el caudal es establecido, el caudal en la línea de alimentación es equilibrado
por el flujo que cae en la línea de retorno, y la bomba no necesita cumplir los
requerimientos de altura vertical. Superada la presión de arranque, la bomba
solamente debe superar las pérdidas de presión en las tuberías.
3)
Cálculo de la
caída de presión en las tuberías
En el siguiente paso debemos
estimar los tamaños de las tuberías, y luego calcular la caída de presión total
a través del sistema por: 1) Los colectores, 2) las tuberías de alimentación y
retorno en los accesorios y 3) cualquier caída de presión en válvulas u otros
componentes.
Calculado el tamaño de las
tuberías debemos también calcular la velocidad del caudal y la caída de
presión.
Si la velocidad es demasiado alta, o la caída de presión es más grande
de lo que la bomba razonablemente puede manejar, debemos aumentar el tamaño de
la tubería.
Necesitamos también dimensionar
las longitudes de las tuberías de alimentación y retorno, y el número y tipo de
cada accesorio y válvula.
En la siguiente tabla mostramos
la caída de presión en tuberías de ¾”
4)
Selección de la
bomba
Para seleccionar la bomba debemos
obtener:
- Altura vertical de arranque.
- Caudal con pérdidas de presión.
Usaremos las curvas de la bomba
para determinar qué bombas cumplen los criterios seleccionados. Para cada
bomba, las curvas muestran la combinación de caudales y altura de presión que
la bomba puede producir.
Necesitaremos una bomba que pueda
producir una determinada altura estática o de arranque, y en ese punto de la
curva debemos obtener el caudal que necesitamos para el funcionamiento de los
colectores.
Sistemas en bucle cerrado con anticongelantes
Los sistemas en bucle cerrado que
usan anticongelante para protección contra el hielo están siempre completamente
llenos de fluidos, así que no tienen lugar los requerimientos de altura de
arranque como se producen en los sistemas drainback.
Pero, el anticongelante
incrementa la viscosidad y pérdidas de fricción en tuberías, y los
anticongelantes tienen una menor capacidad calorífica, así que más
anticongelante debe circular para transferir la misma cantidad de calor al
colector.
El siguiente procedimiento cubre
los sistemas en bucle cerrado y asume una mezcla de anticongelante glicol agua
50-50.
Para diseñar un sistema en bucle
cerrado, usaremos el mismo procedimiento que en los sistemas drainback con
estos cambios.
- Multiplicaremos el caudal del colector por 1,15 para tener en cuenta la menor capacidad de transferencia térmica – pero no superaremos los 0,075 gpm/sqft.
- Saltaremos la medición de la vertical del tanque al colector.
- Calcularemos la caída de presión y la multiplicaremos por 1,3 para tener en cuenta el incremento de viscosidad de la solución anticongelante.
4. Dimensionaremos
la bomba de la misma forma que el sistema drainback, pero dejaremos los
requerimientos de altura de arranque y usaremos los caudales y caída de presión
indicadas en los puntos 1 y 3.
Bibliografía:
- Pump and pipe sizing for a solar wáter/space heating system. Build it solar.
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