Entrare nell’acqua calda: A Practical Guide to Hot-Water Heating Systems

La parte più visibile di un sistema ad acqua calda è il serbatoio dell’acqua. I serbatoi standard adatti ai sistemi di riscaldamento ad acqua calda sono disponibili in una varietà di dimensioni, capacità e spessore delle pareti. I serbatoi interrati hanno pareti più spesse della varietà fuori terra, il che li rende molto più adatti alla saldatura. Data una scelta, è meglio usare un serbatoio corto e di grande diametro piuttosto che uno lungo e sottile perché un serbatoio più corto ha meno superficie, riducendo la perdita di calore e il costo dell’isolamento. La tabella 3 fornisce dimensioni e capacità per una vasta gamma di serbatoi standard di stoccaggio del petrolio.

Anche se è meglio usare un nuovo serbatoio, molti sistemi di successo sono stati costruiti con serbatoi usati. I serbatoi di stoccaggio dell’olio usati possono spesso essere ottenuti semplicemente per la richiesta. Se decidete di provare un serbatoio usato, ispezionatelo accuratamente alla ricerca di buchi o punti sottili. Inoltre, informatevi su quale liquido è stato conservato nel serbatoio. Attenzione: Non saldare o tagliare mai su un serbatoio che si sospetta contenga materiale infiammabile, a meno che non sia accuratamente pulito e ventilato. Un metodo per rimuovere i residui di olio o benzina da un grande serbatoio è quello di mescolare circa 2 libbre di detergente per mille galloni di capacità con abbastanza acqua per dissolverlo e versare questa soluzione nel serbatoio. Poi riempire il serbatoio completamente d’acqua e lasciarlo riposare per diversi giorni prima di svuotarlo e iniziare a lavorarci.

Capacità di accumulo del calore

Come detto in una sezione precedente, una misura della capacità di un sistema è la sua capacità di accumulo del calore. L’acqua è una delle sostanze meno costose e più facilmente spostabili e controllabili. È anche uno dei migliori accumulatori di calore conosciuti. L’acqua può immagazzinare quattro o cinque volte più calore della pietra, fino a dieci volte più della maggior parte dei metalli, e circa quattro volte più dell’aria per unità di peso. Il suo unico svantaggio è che non può immagazzinare calore a temperature superiori a 212°F a meno che non sia sotto pressione. Questo limita la sua utilità per applicazioni ad alta temperatura. Tuttavia, per le applicazioni di riscaldamento dello spazio nelle serre e altre applicazioni agricole, commerciali o residenziali, questa limitazione di solito non è un problema.

Per definizione, un’unità termica britannica (BTU) è la quantità di calore necessaria per aumentare la temperatura di 1 libbra di acqua di 1 °F. Un gallone d’acqua pesa circa 8,3 libbre, quindi l’energia termica richiesta per aumentare la temperatura di un gallone di 100°F è:

8,3 libbre x 100°F = 830 BTU

In confronto, aumentare la temperatura di 8,3 libbre di ghiaia di 100°F richiederebbe solo circa 166 BTU.

Come detto prima, l’acqua non può essere riscaldata oltre i 212°F a pressione atmosferica. Questa temperatura determina il limite superiore della quantità di calore che l’acqua non pressurizzata può immagazzinare. Il limite inferiore è stabilito dalla temperatura di carico desiderata. Per esempio, se una serra deve essere mantenuta a 65°F, allora quella temperatura è il limite inferiore. La differenza tra il limite superiore e quello inferiore,

212°F – 65°F = 147°F

indica quanto calore utilizzabile può contenere un dato volume d’acqua.

In realtà, non è pratico far scendere la temperatura di stoccaggio fino al limite inferiore. Il tasso di trasferimento del calore al carico (per esempio, dai radiatori all’aria all’interno di una serra) si riduce notevolmente quando la temperatura dell’acqua riscaldata in entrata si avvicina alla temperatura dell’aria del carico. Per questo motivo è auspicabile mantenere la temperatura di stoccaggio dell’acqua inferiore almeno 35°F sopra la temperatura di carico desiderata. Nell’esempio precedente, quindi, la temperatura limite inferiore sarebbe 100°F e la differenza di temperatura non sarebbe 147°F, ma

212°F – (65°F + 35°F) = 112°F

Quindi, la gamma di temperatura di stoccaggio dell’acqua è limitata a 112°F. Usando questa informazione come guida, possiamo ora determinare quanta capacità di immagazzinamento è necessaria.

Se il carico di calore desiderato è determinato in 200.000 BTU all’ora e si desidera avere 6 ore di riscaldamento disponibile dopo che il fuoco si spegne, la quantità di acqua deve essere adeguata per immagazzinare:

200.000 BTU/hr x 6 hr = 1.200.000 BTU

Alzare una libbra di acqua di 1°F richiede 1 BTU. Ogni libbra d’acqua può immagazzinare solo 112 BTU. Quindi la quantità di acqua richiesta è:

1.200.000 BTU ÷ 112 BTU/lb = 10.714 lb

Siccome l’acqua pesa 8,3 libbre per gallone, 10.714 libbre di acqua è uguale a 1.291 galloni.

In pratica, la temperatura massima dell’acqua raramente supera i 200°F; quindi, è necessaria una capacità di stoccaggio leggermente superiore a 1.291 galloni.

Questi calcoli presuppongono che non si perda calore dal serbatoio o dai tubi che portano l’acqua da e per il carico. Queste perdite possono essere significative, a seconda di quanto bene è isolato il tubo, la distanza dal serbatoio al carico, e la temperatura esterna.

È una buona idea installare un termometro nella linea di uscita del serbatoio. Darà un’indicazione precisa della temperatura dell’acqua all’interno del serbatoio. Un calo della temperatura dell’acqua di più di 20°F all’ora è una buona indicazione che il serbatoio dell’acqua è troppo piccolo, poiché lo scopo di un sistema di acqua calda è di fornire una fonte costante di calore senza bisogno di accendere il fuoco costantemente.

È anche una buona idea installare un termometro nelle linee su entrambi i lati del carico – per esempio, sulle linee di ingresso e di uscita del radiatore o della serie di radiatori. Questo rende possibile determinare non solo quanta energia si perde tra il serbatoio e il carico, ma anche quanto efficientemente i radiatori estraggono il calore dall’acqua.

Per una progettazione ottimale del sistema, la capacità di stoccaggio deve essere basata sulla massima potenza nominale del bruciatore, il carico termico richiesto e la lunghezza massima di tempo desiderata tra i carichi di combustibile. La seguente discussione illustra come questi tre fattori interagiscono.

Supponiamo, come nell’esempio precedente, che il carico termico medio richiesto sia di 200.000 BTU all’ora. Questo significa che durante un’ora tipica di funzionamento, sono richiesti 200.000 BTU di calore. È probabile che nel mezzo di una notte molto fredda, la quantità di calore richiesta superi questa quantità. Ma per avere sufficiente calore disponibile, la capacità del bruciatore deve essere almeno uguale al carico medio più le perdite. Da un punto di vista pratico, è consigliabile che il bruciatore sia valutato da una volta e mezza a due volte il carico termico medio. Un bruciatore più grande può produrre calore per l’immagazzinamento e per l’uso immediato nei momenti in cui il carico è medio.

Oltre all’energia immagazzinata nell’acqua calda (accumulo nel serbatoio), è anche possibile immagazzinare energia termica nel sistema sotto forma di legna non bruciata. Questo si chiama accumulo nel focolare. In previsione di una notte molto fredda, un operatore di serra potrebbe alimentare il sistema durante il giorno per aumentare gradualmente la temperatura dell’acqua vicino a 212°F. Anche se l’acqua sta già trattenendo quasi la sua quantità massima di calore, l’operatore potrebbe riempire di nuovo il focolare appena prima di andarsene per la notte. Questo combustibile aggiuntivo aggiunge energia al sistema. Il combustibile che brucia potrebbe semplicemente sostituire il calore in uscita e mantenere così l’alta temperatura dell’acqua. Se il combustibile aggiuntivo aggiunge troppo calore troppo rapidamente, tuttavia, l’acqua nel serbatoio bollirà e l’energia sarà sprecata come vapore.

È improbabile che un sistema ad acqua calda durante il funzionamento effettivo sia soggetto a grandi oscillazioni di carico. In altre parole, non sarebbe richiesto di produrre la massima potenza un’ora e nessuna la successiva. Piuttosto, aumenti e diminuzioni graduali si verificano normalmente durante il giorno man mano che la temperatura esterna e molti altri fattori cambiano. D’altra parte, il calore fornito al sistema dal fuoco è normalmente piuttosto sporadico, a seconda di quanto e come spesso viene aggiunto il combustibile. Il valore di un sistema ad acqua calda si basa in parte sulla sua capacità di immagazzinare rapidamente l’energia termica ma di rilasciarla lentamente ad un ritmo controllato.

Se il bruciatore produce più calore di quello che viene utilizzato dal sistema, il calore extra sarà immagazzinato, a condizione che la capacità di stoccaggio non sia stata superata. Il superamento della capacità di accumulo provoca l’ebollizione dell’acqua. Quando ciò accade, il calore in eccesso prodotto esce dal sistema sotto forma di vapore. L’energia richiesta per far bollire l’acqua è semplicemente sprecata. L’ebollizione frequente in un sistema ad acqua calda indica che il bruciatore è troppo grande o che viene acceso troppo spesso o che la capacità di accumulo di calore del sistema è troppo piccola.

Se la capacità di accumulo di calore è inadeguata, una soluzione è aggiungere un altro serbatoio. Un serbatoio tandem è normalmente posizionato il più vicino possibile al serbatoio principale e collegato da un tubo di entrata e uscita e da una pompa (Figura 3). In questo modo, la capacità di stoccaggio può essere facilmente aumentata senza disturbare il resto del sistema. L’acqua deve sempre essere pompata continuamente tra i due serbatoi per distribuire il calore in modo uniforme. Questo può essere fatto aggiungendo una pompa extra o usando parte del flusso di una pompa esistente se ha capacità in eccesso.

I sistemi ad acqua calda non sono sistemi a vapore; cioè, non c’è mai nessuna pressione nel sistema oltre a quella prodotta dalle pompe. Il serbatoio dell’acqua calda deve essere ventilato per evitare che la pressione si accumuli quando l’acqua viene riscaldata e si espande o si trasforma in vapore. Un serbatoio non ventilato è estremamente pericoloso. Sono necessari almeno due sfiati sulla parte superiore del serbatoio. Meglio ancora, il passo d’uomo che è di solito tagliato nella parte superiore del serbatoio durante la costruzione può essere lasciato aperto ma coperto con un pezzo di lamiera.

Isolamento

È necessario isolare il serbatoio e tutti i tubi per prevenire la fuga di calore. Per i serbatoi all’aperto, l’isolamento in poliuretano spruzzato è adatto, specialmente se è verniciato e protetto dall’esposizione diretta al fuoco e alla luce del sole. Un rivestimento spesso 1 pollice, che produce un isolamento R-7, costa circa $1 per piede quadrato. Per esempio, per un serbatoio da 2.000 galloni di 64 pollici di diametro e 12 piedi di lunghezza, l’isolamento costerà circa 250 dollari. La tabella 4 dà il valore di isolamento stimato di diversi spessori di poliuretano su serbatoi.

Questa tabella mostra che il costo dell’applicazione di una quantità minima di isolamento può essere facilmente giustificato dal risparmio nei costi energetici. Il costo aggiunto di un isolamento più spesso di 1⁄2 pollice, tuttavia, è difficile da giustificare.

Una alternativa è di mettere il sistema sotto un tetto a shed dove può essere isolato con delle stecche di fibra di vetro relativamente poco costose. La fibra di vetro, che può avere un supporto in foglio di alluminio, può essere tenuta in posizione con del filo di pollo a maglie larghe. Il costo del capannone, dell’isolamento, della pellicola, del filo e della manodopera può essere maggiore di quello dell’isolamento in poliuretano spruzzato, ma questo tipo di isolamento probabilmente durerà molto più a lungo e darà un valore R migliore.

Prevenzione della ruggine

È consigliabile usare qualche tipo di misura di prevenzione della ruggine per proteggere l’interno del serbatoio e dei tubi dalla corrosione. Ci sono un certo numero di prodotti chimici commerciali disponibili destinati all’uso principalmente in caldaie ad alta temperatura. Alcuni di questi sarebbero piuttosto costosi da acquistare nella quantità necessaria per proteggere un sistema di acqua calda di medie dimensioni.

Un metodo che è stato trovato adeguato nei sistemi di acqua calda è quello di aggiungere alcuni prodotti chimici relativamente poco costosi per aumentare il pH dell’acqua. Tra questi ci sono il carbonato di potassio, il carbonato di sodio (soda da bucato) e l’esafosfato di sodio (Calgon). Queste sostanze chimiche prevengono la corrosione rivestendo le pareti metalliche dei sistemi. Delle sostanze chimiche menzionate sopra, il Calgon funziona meglio. Può essere acquistato nella maggior parte dei negozi di alimentari. Usare 5 libbre per ogni 1.000 galloni di acqua. In condizioni normali, nessuna di queste sostanze chimiche si degrada e di conseguenza rimane attiva nel sistema per molto tempo.

Tubi di fuoco

Anche se un po’ di calore passa all’acqua attraverso le pareti del focolare, il percorso principale del calore dal fuoco all’acqua è attraverso i tubi di fuoco. La maggior parte dei sistemi sono progettati in modo che i gas caldi emessi dal fuoco passino attraverso una serie di tubi di fuoco che vanno da un’estremità all’altra del serbatoio di stoccaggio. In molti sistemi i gas vengono fatti passare attraverso il serbatoio più di una volta.

È molto importante che il numero e la dimensione dei tubi di fuoco siano sufficienti a trasferire la maggior parte del calore dai gas caldi all’acqua prima che i gas escano. Come regola generale, è necessario circa 1 piede quadrato di area di scambio termico per ogni 2.000 BTU di potenza nominale. Per esempio, se un sistema è dimensionato per produrre 200.000 BTU all’ora, sono necessari circa 100 piedi quadrati di area di scambio termico. Quest’area può includere la superficie raffreddata ad acqua del focolare così come i tubi di fuoco stessi. Entrambe queste aree sono spesso chiamate superficie del focolare.

Il diametro esterno dei tubi di fuoco è usato per calcolare l’area. La tabella 5 elenca diverse dimensioni comunemente usate di tubi standard con il loro diametro esterno effettivo e il numero di piedi lineari richiesti per produrre 1 piede quadrato di superficie.

La dimensione corretta del tubo da usare dipende da una serie di fattori. Nel sistema di esempio con una capacità di 200.000 BTU all’ora, sono necessari 100 piedi quadrati di area di scambio termico. Dalla tabella 1, il volume consigliato del focolare è di 9 piedi cubici. Un focolare adatto con questo volume sarebbe uno lungo 11⁄2 piedi, largo 2 piedi e alto 3 piedi. La superficie di questo focolare è di 27 piedi quadrati (inclusa la porta raffreddata ad acqua). Pertanto, il focolare fornirebbe 27 piedi quadrati dei 100 piedi quadrati necessari. I tubi del fuoco devono fornire gli altri 73 piedi quadrati.

Per trovare la lunghezza del tubo di un dato diametro necessario per fornire la superficie desiderata, moltiplicare i numeri nella terza colonna della tabella 5. Per esempio, se scegliete un tubo da 11⁄2 pollici, moltiplicate 73 piedi lineari per 2,01:

73 ft x 2,01 ft/sq ft = 146,72 ft

Circa 147 piedi lineari di tubo da 11⁄2 pollici sono necessari per ottenere 73 piedi quadrati di area di scambio termico. D’altra parte, se usate un tubo da 3 pollici avete bisogno solo di circa 80 piedi:

73 piedi x 1.09 ft/sq ft = 79.73 ft

Quale dimensione è migliore? Considerato strettamente dal punto di vista dei costi, non c’è molta differenza tra 147 piedi di tubo da 11⁄2 pollici e 80 piedi di tubo da 3 pollici. Tuttavia, è molto più facile saldare il tubo più grande. Inoltre, sarà necessario pulire l’interno del tubo di tanto in tanto per rimuovere cenere, fuliggine e altri depositi. Pulire una lunghezza minore di un tubo più grande è più facile. Il maggior numero di tubi più piccoli, tuttavia, sarebbe un po’ più efficiente nel trasferimento di calore. L’esperienza ha dimostrato che i tubi da 2 a 3 pollici funzionano meglio in generale.

I depositi di cenere nei tubi di fuoco ridurranno notevolmente il tasso di trasferimento del calore. È bene avere un modo per determinare quanto bene stiano lavorando. Uno dei metodi migliori e meno costosi è quello di posizionare un termometro ad alta temperatura nel punto in cui i gas lasciano i tubi di fuoco e risalgono il camino. Più vicina è la temperatura dell’acqua, più efficacemente i tubi di fuoco stanno trasferendo il calore. Una temperatura del gas da 300 a 350°F indica un trasferimento di calore efficiente. Una temperatura del gas superiore a 450°F indica che l’area di scambio di calore è troppo piccola o che i tubi di fuoco si sono rivestiti.

Stratificazione

Una condizione curiosa si verifica a volte in sistemi medio-grandi. Anche se il focolare è costantemente alimentato e l’acqua può essere vista bollire dalla parte superiore del serbatoio, la temperatura dell’acqua prelevata dal serbatoio per la distribuzione è solo da 170 a 180°F. Questa situazione si verifica nei sistemi in cui l’ingresso e l’uscita sono vicini al fondo del serbatoio e non c’è una pompa di circolazione ausiliaria per mantenere l’acqua in movimento. La condizione è chiamata stratificazione e risulta quando l’acqua a diverse temperature si separa in strati distinti, con l’acqua più calda che rimane in cima. La stratificazione può verificarsi in qualsiasi sistema, ma di solito è più pronunciata in quelli grandi.

La densità dell’acqua a 100°F è circa il 3,5% maggiore di quella a 200°F. Proprio come l’aria, l’acqua calda sale e l’acqua fredda affonda. Per evitare la stratificazione, l’acqua deve essere mantenuta in movimento. Un metodo è quello di collegare i tubi di ritorno nella parte superiore del serbatoio sopra il focolare (la parte più calda del sistema) e prelevare l’acqua dalla parte inferiore del serbatoio all’altra estremità. Il problema con questo approccio è che le pompe di distribuzione possono non funzionare sempre e la stratificazione può verificarsi quando le pompe sono spente.

Una soluzione migliore è quella di installare una pompa di circolazione ausiliaria che funzioni continuamente per spostare l’acqua dalla parte più fredda a quella più calda del serbatoio. La miscelazione costante dell’acqua impedirà la stratificazione. La pompa di circolazione non deve essere grande, perché c’è poca prevalenza da superare. Dovrebbe essere in grado di pompare da 0,2 a 0,5 volte la capacità del sistema all’ora. Per esempio, un sistema da 2.000 galloni dovrebbe avere una pompa capace di pompare da 400 a 1.000 galloni all’ora. Una pompa elettrica da 1⁄6 a 1⁄2 cavallo è solitamente adeguata.

Figura 3. Un serbatoio aggiuntivo aumenterà la capacità di stoccaggio.

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Figura 3. Un serbatoio aggiuntivo aumenterà la capacità di stoccaggio.