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 S280  Cálculo

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Fontanería
S28 Rama Cálculo de caldera y acumulador.
S281 Rama Recomendaciones. Procedimiento general.
S282 Rama Tablas empíricas. Ejemplos.

EXPOSICIÓN:

En cálculo de caldera y acumulador, se desarrollan los siguientes apartados:

 


FONTANERIA  ACS

VIII.  CÁLCULO DE CALDERA Y ACUMULADOR

______________________________________________

1    RECOMENDACIONES. 

En instalaciones centralizadas, en general, se debe limitar la temperatura de almacenamiento a 58º C, debiendo distribuirse a una temperatura máxima de 50º C medidos a la salida del depósito acumulador.  En cuarteles, colegios, etc. se establece la temperatura de 42º C medidos a la entrada de la red de distribución.

Asimismo se precisa que la capacidad de acumulación deberá ser importante, debiendo dimensionarse con un tiempo de preparación de, al menos, tres horas”.

El uso de sistemas de producción instantánea es decir sin acumulador en instalaciones centralizadas deberá justificarse en cada caso.

Conviene no instalar instalar grupos térmicos MIXTOS para potencias superiores a 50 kw. (43.859 k cal/h.) a no ser en condiciones especiales.  Por encima de los 50 kw. hay, en principio, que instalar 2 calderas, salvo que la misma tengan aparte y compartimentadas las dos funciones de calentamiento junto con un sistema de regulación preferencial para el ACS.

2                PROCEDIMIENTO GENERAL.

2.1             Conceptos.

En los sistemas centralizados se llaman temperatura de preparación tp a la temperatura máxima que alcanza el agua en el acumulador por la acción de la caldera; ésta es mayor que la temperatura de utilización tu  (o de salida hacia la distribución), debido a que aquella, con motivo del gasto; se mezcla en la caldera con agua fría a presión procedente de la red, a temperatura te.   Es por ello que se llaman también sistemas “por mezcla”.

En los cálculos que se van a desarrollar hay que distinguir claramente los períodos puntas de consumo de los periodos valles.  La base del funcionamiento de los sistemas centralizados consiste en que en los periodos valles se vaya preparando agua caliente, de modo que puedan satisfacerse las necesidades de los períodos puntas, en los que la caldera sería insuficiente para proporcionar el número de calorías requerido.  De este modo se consiguen instalaciones eficaces con consumos energéticos racionales de acuerdo con el espíritu y la letra del RICC -ACS ..

2.2 Nomenclatura.

En las fórmulas que siguen utilizaremos los siguientes conceptos, nomenclaturas unidades.

te     =   temperatura de entrada del agua fría en el acumulador (ºC).

tp     =   temperatura de preparación (ºC).

tu     =   temperatura de utilización del ACS (ºC).

  --------

G       =  gasto diario de ACS del edificio (l.)

QMp   =   caudal medio en los períodos punta (l/seg)

QMv   =   caudal medio en los períodos valle (l/seg).

--------

hp    =  duración de cada período que consideramos como punta (seg)

hv    =  duración de cada período que consideramos como valle (seg)

  --------

H     =  tiempo del día en que se considera el funcionamiento de la caldera (seg).

Hp   =  tiempo total de períodos puntas (seg).

Hv    =  tiempo total de períodos valle (=H - Hp), (seg).

  -------

 C     =  energía de la caldera consumida en un cierto período (k calorías).

 J     =  energía de la caldera consumida en un cierto período (k julios).

 P     =  potencia útil de la caldera (kw).

 V     =   volumen del acumulador (ls).

NOTAS RECORDATORIAS.-

Unidades de potencia:

1 kw  =  1 k julio/seg

1 kw  =   860 k caloría/hora

Unidades de trabajo o energía:

1 k caloría =  4,18 k julios.

2.3  Obtención de datos previos.

A efectos simplificatorios se considera que los caudales y duraciones de los distintos períodos puntas del día son iguales entre sí.  La misma simplificación se hace con respecto a los períodos valle.

CAUDALES.

QMp  caudal medio de los periodos puntas.-

Se obtiene como dato, según el tipo de edificio.

QMv caudal medio de los períodos valle.

Si el gasto diario de los períodos punta es QMp x Hp y el total del día es G, el gasto en los períodos valle será G - QMp x Hp .  Por consiguiente el caudal medio de los períodos valle será:

                                                              

 B)         COMPUTO DE ENERGÍAS EN UN CICLO "PREPARACIÓN CONSUMO".

  Energías de preparación.

Según lo expuesto en el punto 2.1 hallemos primeramente en k julios la energía de preparación, que será la que necesitamos para llevar la temperatura del acumulador hasta tp . 

Desglosemos dicha energía J en dos escalones:  JA  y JB .

  JA.- Energía que hay que suministrar para que el agua del acumulador alcance la temperatura tu.

  En virtud de que se trata de un sistema con acumulación en cualquier momento el agua a calentar está compuesta por un porcentaje de "agua nueva" y otro de agua que ya ha sido calentada.  Experimentalmente se establecen dichos porcentajes en 60 y 40.  Así pues

JA  =  4,18  x 0,6 V (tu – te); siendo V el volumen del acumulador en litros

JB.-       Energía que hay que suministrar para que el agua del acumular suba de tu a tp.

JB  =  4,18 V (tp – tu)

TOTAL ENERGIA DE PREPARACIÓN:   JA  + JB  = 4,18 v (tp – 0,4 tu – 0,6 te)  [ 1 ]

Energía de Consumos.

Igualmente, expresadas en k julios

Energía consumida en un período punta:

4,18 (tu – te) QMp x hp

Energía consumida en un período valle:

                                                                                 

Superávits y déficits de energía.

Partamos de la hipótesis óptima, en la que se plantea que la caldera de potencia P, tiene un funcionamiento ininterrumpido y que, por tanto, en los periodos valles producirá el siguiente superávit de energía:

                                                            [2]

llamada ENERGIA DE ACUMULACIÓN.

Por su parte en los periodos puntas se producirá el siguiente déficit de energía:  

                                                                   4,18 (tu – te) QMp x Hp  - P x hp   [ 3 ]

2.4             Planteamiento y solución.

Con los datos anteriores basta expresar numéricamente los principios en que se basa el funcionamiento del binomio caldera – acumulador para obtener tanto P como V con el máximo ahorro energético.

El primer principio dice así:

"La producción de energía en los períodos valles (también llamados de preparación) deben estar destinados en su totalidad a constituirse en energía de acumulación" Esto, por otro lado, quiere decir que la energía residual acumulada tras un período punta habrá de ser equivalente a la que habrá de consumirse en el subsiguiente período valle. .

Igualando, pues, [1] y [2] tenemos:

                                  [4]

El segundo principio puede enunciarse de la siguiente manera:

"Tal cantidad de energía de acumulación debe compensar el déficit de energía que se produzca en los períodos puntas".

Igualando, entonces, [1] y [3] tenemos:

                                          4,18 V (tp – 0,4 tu – 0,6 te) = 4,18 (tu – te) QMp x hp  - P X hp   [ 5 ]

Despejando P y V de [ 4 ] y [ 5 ]  obtenemos:

                                                                                                                                                                                                                                                                      

                             

Fórmulas que nos dan la potencia útil o aprovechada de la caldera y el volumen del acumulador, sobre las que hay que hacer las siguientes consideraciones:

1.  Tanto los términos del planteamiento general como la anterior expresión  [5]  nos determina que, establecido una cierta demanda media punta, QMp, a mayor potencia P de la caldera corresponderá menor capacidad V del acumulador, y recíprocamente.

2.  Durante el ciclo normal producción-acumulación se calcula en un 15% las pérdidas de calor por difusión en la caldera y circuito primario, mientras que tal pérdida puede estimarse en un 10% con respecto al acumulador, lo que totaliza un 25% de la producción.

Igualmente; dadas las normales distorsiones de consumos de algún período puntas respecto a los promedios previstos, se hace aconsejable aumentar P en otro 15%, con lo que, junto con lo anterior quedaría que P* (potencia a instalar) = 1,4 P.

2.5 Cuadro para los cálculos de P y V, referido a diferentes edificios.

TIPO

DE EDIFICIO

NECESIDADES DE ACS

DEMANDA

PUNTA

HORARIA

hv

(horas)

hp

(horas)

Hv

(horas)

Hp

(horas)

H

(horas)

viviendas

60-120 l por persona y día

1/10 G

4

2

12

6

18

Hoteles

75-150 l por persona y día (sin lavandería y sin restaurante)

1/8  G

4

2

12

6

18

Hospitales

150 l por persona y día (sin lavandería y sin restaurante)

1/8  G

4

2

12

6

18

Oficinas

(turno

único)

7,5 l por persona y día

1/4  G

4

1

8

2

10

Fábrica e

Internados

20 l por persona y día (sin lavandería y sin restaurante)

1/3  G

3

1

6

2

8

Restau-

rante de

Dos Turnos

(tu = 80°)

 7 l por comida

1/6 G

4

2

8

4

12

Lavanderías

(tu = 80º)

Normales:   30-50 l/kg                       ropa

Hospitales:   60-80 l/kg

                      ropa

 

(1,5-2,5 kgs/ropa/

persona/día)

 

 

 

 

G

-----

Hp

 

 

 

 

(*)

 

 

 

 

(*)

 

 

 

 

 

(*)

 

 

 

 

(*)

 

 

 

 

10

                                                                   (*)  Según programación laboral del centro

Al cuadro anterior procede añadir lo siguiente:

·      Se estimará te entre 9º y 12º, según regiones.

·       Se acotará tp y tu dentro de  límites , no bajando tu de 45º, por correrse el riesgo de llegar con menos de 42º (temperatura mínima de utilización) al punto más alejado.

·       Las cocinas colectivas y lavanderías demandan agua a mayor temperatura (tu = 70 a 80º), por lo que se utilizarán equipos diferentes a los del ACS, o bien se recurrirá a un postcalentamiento.

 A titulo ilustrativo se grafía un diagrama horario del gasto de ACS de un edificio de viviendas (línea continua) y su traducción gráfica a los parámetros de cálculo que hemos adoptado en el cuadro anterior (línea discontinua).

2.6 Ejemplo.

Hotel de 500 camas.  Caldera y acumulador para los baños de huéspedes:

G     =    500 x 150 l  =  75.000 l de ACS

QMp    =    (1/8)x 75.000  =  9.375 l/h  =  2,60  l/seg

hv    =      4 horas  =   14.400 seg                               te   =  10º C

hp     =     2 horas  =     7.200 seg                              tp    =  56º C

Hp    =    6 horas  =   21.600 seg                                tu   =   48º C

H      =  18 horas  =   64.800 seg 

 

P*  (potencia a instalar)  =  1,4 x 183,84  =  257,38 kw  =  221.347 k cal/h

     

3    TABLAS EMPIRICAS.

Existen numerosas tablas que facilitan la adopción inmediata de caldera y acumulador.  No obstante hay que hacer la salvedad que - en general - no se atienen a las pautas y limitaciones de temperatura que señalan el RICC - ACS, tendentes a la conservación de la energía.  Por estas razones los resultados que se obtienen, sobre todo para la potencia de la caldera suelen ser más altos que  los obtenidos con las fórmulas anteriores.

3.1 Tablas americanas.

Una de las publicaciones más prestigiosas “Heating, Ventilating, Air Conditioning Guide” pública la tabla que reproducimos a continuación:


 

 

 

 

Clase de edificio

Agua caliente necesaria en litros por persona y día

Consumo máximo horario en relación al consumo diario

Duración del período de consumo máximo (horas)

Depósito

 

Capacidad de almacena

miento en relación al consumo diario

Caldera

 

Capacidad horaria del calentador en relación al consumo diario *

Viviendas, apartamentos, hoteles

150

1/7

4

1/5

1/7

Oficinas

7,5

1/5

2

1/5

1/6

Fábricas y talleres

20

1/3

1

2/5

1/8

Restaurantes

7 litros por comida y día

-

-

1/10

1/10

Restaurantes

(tres comidas diarias)

 

1/10

8

1/5

1/10

Restaurantes

(Una comida diaria)

 

1/5

2

2/5

1/6

*  Para obtener la potencia de la caldera en k cal/h multiplíquese los litros obtenidos según la tabla por tu – te .

3.2 Tablas N.T.E.

Tabla 11

Número de grifos servidos por el acumulador

 

Uso del edificio

Público

13

20

27

33

50

66

100

135

190

327

475

640

1.000

1.350

 

 

Privado

20

30

40

50

75

100

150

200

300

500

750

1.000

1.500

2.000

C en litros

 

750

1.000

1.250

1.500

2.050

2.500

3.400

4.300

6.000

9.400

13600

17800

26200

34600

P en kcal/h

 

21560

28700

35940

43125

58940

71875

97750

123625

172500

270250

391000

511750

753250

994750

3.3 Ejemplos.

Desarrollaremos, a título comparativo, el ejemplo anterior, según las dos tablas señaladas.

3.3.1          Según tablas americanas.

(1)        Consumo diario.

  500 x 150 l  =  75.000 l.

  (2)        Máximo consumo horario.

  75.000 l  / 7 =  10.714 l.

  (3)        Duración del período punta :  4 horas

Consumo en el período punta  4  x  10.714 l  =  42.858 l

  (4)        Capacidad del acumulador.

  75.000 l  / 5 =  15.000 l.

   (5)        Capacidad horaria del calentador.

 75.000 l  / 7 =  10.714  litros, lo que supone una potencia

  P* = 10.714 (60º - 10º)  =  535.700 k cal/h Nótese que esta tabla supone que el consumo de un solo período punta puede superar al 50% de todo el consumo diario.  Igualmente que se está partiendo de una tu = 60º, muy superior a la recomendada.(tu = 50º).

Según autores Guy-Fawcet “Instalaciones en los edificios”.  Editorial Gustavo Gili.  1974 los datos tabulados se basan en el siguiente simple planteamiento:

La producción de la caldera con la ayuda del agua acumulada debe poder contrarrestar el consumo de todo un período punta, con la salvedad de que en el acumulador debe quedar, aproximadamente, 1/3 de energía calorífica para poder afrontar con garantías el subsiguiente período valle.  Comprobémoslo con el ejemplo anterior:

-   Duración del período punta y consumo en dicho período, según (3):  4 horas y   42.858 l, respectivamente.

-   Capacidad del acumulador, según (4) :  15.000 l.

-   Aportación del acumulador en período punta:  2/3 de 15.000 =  10.000 l.

-   Capacidad de producción horaria necesaria del calentador en período punta:

                (42.858 - 10.000) / 4 horas =  8.214,5 l.

                   P = 8.214,5 (60º - 10º)  =  410.725 k cal/h

Teniendo en cuenta las pérdidas por difusión de caldera-circuito primario-acumulador:

                 P* =  1,25 x 410.725 =  513.406 k cal/h, cantidad asimilable a la obtenida  anteriormente

Es evidente que la regla expuesta faculta dar al binomio caldera-acumulador posibles alternativas distintas a las (4) y (5) tabuladas, considerando, en cualquier caso, que acumuladores excesivos darían lugar a calderas insuficientes y que acumuladores escasos traen consigo dispendios energéticos.

3.3.2          Según tablas N.T.E.

Supongamos que a las 500 camas del hotel corresponden 250 baños con 3 aparatos por baño (no se cuentan obviamente los inodoros)

Nº de aparatos 750; uso asimilable al privado

Capacidad del acumulador:  13.600 litros

P* de la caldera =  391.000 k cal/h.  


Actualizado 20/02/08

 ©  Contenido: Juan Carratalá Fuentes y Manuel Roca Suárez