miércoles, 1 de abril de 2015

CÁLCULO DEL VASO DE EXPANSIÓN DE UNA INSTALACIÓN SOLAR TÉRMICA

El dispositivo de expansión cerrado del circuito solar deberá estar dimensionado de tal forma que, incluso después de una interrupción del suministro eléctrico a la bomba de circulación, justo cuando la radiación solar sea máxima, se pueda restablecer el funcionamiento de la instalación automáticamente cuando el suministro esté disponible de nuevo.

Ello forma parte de la seguridad intrínseca de la instalación solar, es decir de la posibilidad de volver a ponerse en servicio automáticamente sin la intervención del titular ni personal de mantenimiento. Para ello es vital que el vaso de expansión esté bien diseñado y sea capaz de recoger toda la expansión que se produce en el líquido solar durante un estancamiento donde se suele producir la formación de vapor en los captadores.

El vaso de expansión debe ser capaz de recoger en su interior:
  • El volumen de la dilatación del fluido primario hasta las máximas temperaturas de funcionamiento.
  • Tendrá un volumen de reserva, que cubrirá una posible contracción del líquido en caso de heladas.
  • Recogerá el volumen desplazado por la formación de vapor durante un estancamiento en los colectores solares.
Así el volumen útil de un vaso de expansión será:

Vútil = Vdilatado + Vreserva + Vvapor
Veamos como iremos calculando todos estos volúmenes.

Cálculo del volumen dilatado
La temperatura máxima de una instalación solar está en torno a los 140 ºC, pues a partir de ahí lo que se suele formar es vapor en los captadores. Ello depende de la presión de la instalación y del porcentaje de propilenglicol.

Primeramente debemos calcular del coeficiente de expansión (Ce) del líquido. Ello depende de la temperatura máxima de la instalación y del porcentaje de propilenglicol.

Ce = (-33,48 + 0,738xT) x 10-3
Donde:
  •  T es la temperatura en ºC.
Estos valores son válidos para agua. Cuando utilicemos glicoles debemos multiplicar por el siguiente factor de corrección:
fc = a x (1,8xT + 32)b
Donde:
  •  a y b son factores que dependen del porcentaje en volumen del glicol (G):
a = -0,0134x(G2-143,8xG+1918,2)
b = 3,5 x 10-4 x (G2 – 94,57xG + 500)

Para un porcentaje del 40 % de glicol en agua podemos tomar el Ce aproximadamente de 0,085 para 140 ºC.

Así el Volumen dilatado será:
Vdilatado = Vtotal x Ce

Lógicamente el volumen total es el contenido en: 
  • Captadores.
  • Tuberías.
  • Intercambiador.
Los volúmenes de los captadores y del intercambiador será un dato que habrá que buscar en las fichas técnicas de dichos productos.
El volumen de agua de las tuberías depende del diámetro y longitud de las mismas. Se calcula por geometría resultando:

Cálculo del volumen de reserva
Debemos tener cierto volumen de reserva para poder purgar la instalación y tener un volumen disponible para entregar al circuito en caso de tener una helada.

El volumen de contracción al pasar el líquido de 20 a -24 ºC podemos estimarlo en 0,029, y debemos tomar un mínimo de 3 litros.
Vreserva = 0,029 x Vtotal

Cálculo del volumen vaporizado
Consideraremos que se puede vaporizar todo el volumen de los colectores solares más un 10 %.
para cubrir parte del volumen de las tuberías que pudieran contener vapor de agua.
Vvaporizado = Vcaptadores x 1,10

Coeficiente de presión
Hemos de considerar las presiones de trabajo de la instalación:
  • Presión mínima o de llenado de la instalación.
  • Presión máxima que puede alcanzar la instalación.
El cálculo del coeficiente de presión (Cp) se calcula utilizando la ley de los gases perfectos, para variaciones de volumen a temperatura constante (ley de Boyle y Mariotte), que para vasos de expansión con diafragma será:
Cp = PM / ( PM - Pm)
donde:
 PM es la presión máxima absoluta de la instalación, 
 Pm es la presión mínima absoluta de la instalación.

Calculemos estas presiones absolutas (presión manométrica más presión atmosférica).
La presión mínima será función de la presión de la presión mínima de funcionamiento de la instalación más un pequeño margen de seguridad.

Esta presión mínima evitará que se vaporice con facilidad el líquido solar ante una ligera sobre temperatura (a mayor presión, mayor temperatura de ebullición).
Así la presión de llenado de la instalación será:

Pllenado = Pminima + 0,1xPestática

Pminima oscila entre 1,5 y 2,5 bar.
Pestática es la diferencia de metros entre la cota de los captadores y la sala de máquinas.

Así la presión Pm será:
Pm = Pllenado + 1 + 0,5

El valor 1 es la presión atmosférica y 0,5 es el margen de seguridad que se suele dar y que puede alcanzar valores de 0,5 dependiendo de la temperatura del sistema (para sistemas de temperatura máxima de 90 ºC toma un valor de 0,2).

La presión máxima de funcionamiento será ligeramente menor que la presión de disparo de la válvula de seguridad (Pvs).

Se elegirá el menor de estos valores:
  • PM = 0,9xPvs + 1
  •  PM = Pvs + 0,65
Así el volumen total o nominal que deberá disponer un vaso de expansión será:
Vvaso = Vútil x Cp

Seleccionaremos el volumen del vaso comercial inmediatamente superior al volumen del vaso necesario.
 Tampoco existe ningún problema en sobredimensionar un vaso de expansión.
VI es el Volumen tuberías + Volumen colectores + volumen intercambiador. El volumen del colector y del intercambiador lo facilita el fabricante, mientras que para calcular el volumen de las tuberías se consiguen por unas tablas que tiene la norma UNE dependiendo del diámetro, espesor, caudal...


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