Gaking into Hot Water: A Practical Guide to Hot-Water Heating Systems

A parte mais visível de um sistema de água quente é o reservatório de água. Os tanques padrão adequados para sistemas de aquecimento de água quente estão disponíveis em uma variedade de tamanhos, capacidades e espessuras de parede. Os tanques subterrâneos têm paredes mais espessas do que a variedade acima do solo, tornando-os muito melhores para soldar. Dada uma escolha, é melhor usar um tanque curto, de grande diâmetro do que um tanque longo e fino porque um tanque mais curto tem menos superfície, reduzindo a perda de calor e o custo do isolamento. A tabela 3 dá as dimensões e capacidades para uma ampla gama de tanques padrão de armazenamento de petróleo.

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Embora seja melhor usar um tanque novo, muitos sistemas bem sucedidos foram construídos com tanques usados. Os tanques de armazenamento de óleo usados podem muitas vezes ser obtidos simplesmente para o pedido. Se decidir experimentar um tanque usado, inspeccione-o minuciosamente para detectar buracos ou pontos finos. Além disso, pergunte que líquido foi armazenado no aquário. Cuidado: Nunca soldar ou cortar num tanque que suspeite conter qualquer material inflamável, a menos que seja bem limpo e ventilado. Um método para remover resíduos de óleo ou gasolina de um tanque grande é misturar cerca de 2 libras de detergente por mil galões de capacidade com água suficiente para dissolvê-lo e despejar esta solução no tanque. Depois encher o tanque completamente cheio de água e deixá-lo repousar por vários dias antes de drená-lo e começar a trabalhar nele.

Capacidade de armazenamento de calor

Como mencionado em uma seção anterior, uma medida da capacidade de um sistema é a sua capacidade de armazenamento de calor. A água é uma das substâncias menos caras e mais fáceis de transportar e controlar. É também um dos melhores meios de armazenamento de calor conhecidos. A água pode armazenar quatro ou cinco vezes mais calor que a pedra, até dez vezes mais que a maioria dos metais e cerca de quatro vezes mais que o ar por unidade de peso. A sua única desvantagem é que não pode armazenar calor a temperaturas superiores a 212°F, a menos que esteja sob pressão. Isto limita a sua utilidade para aplicações a altas temperaturas. No entanto, para aplicações de aquecimento ambiente em estufas e outras aplicações agrícolas, comerciais ou residenciais, esta limitação geralmente não é um problema.

Por definição, uma Unidade Térmica Britânica (BTU) é a quantidade de calor necessária para elevar a temperatura de 1 libra de água a 1°F. Um galão de água pesa aproximadamente 8,3 libras, portanto a energia térmica necessária para elevar a temperatura de um galão de 100°F é:

8,3 libras x 100°F = 830 BTU

Por comparação, elevar a temperatura de 8,3 libras de cascalho 100°F exigiria apenas cerca de 166 BTU.

Como foi dito anteriormente, a água não pode ser aquecida acima de 212°F à pressão atmosférica. Esta temperatura determina o limite superior para a quantidade de calor que a água não pressurizada pode armazenar. O limite inferior é estabelecido pela temperatura de carga desejada. Por exemplo, se uma estufa deve ser mantida a 65°F, então essa temperatura é o limite inferior. A diferença entre os limites superior e inferior,

212°F – 65°F = 147°F

indica a quantidade de calor utilizável que um determinado volume de água pode armazenar.

Atualmente, não é prático baixar a temperatura de armazenamento para o limite inferior. A taxa de transferência de calor para a carga (por exemplo, dos radiadores para o ar dentro de uma estufa) é muito reduzida à medida que a temperatura da água aquecida que entra se aproxima da temperatura do ar de carga. Por esse motivo é desejável manter a temperatura mais baixa de armazenamento da água pelo menos 35°F acima da temperatura desejada para a carga. No exemplo anterior, portanto, a temperatura limite inferior seria 100°F e a diferença de temperatura não seria 147°F, mas

212°F – (65°F + 35°F) = 112°F

Assim, a faixa de temperatura de armazenamento da água é limitada a 112°F. Usando esta informação como guia, podemos agora determinar quanta capacidade de armazenamento é necessária.

Se for determinado que a carga de calor desejada é de 200.000 BTU por hora e se desejar ter 6 horas de aquecimento disponíveis após o incêndio, a quantidade de água deve ser adequada para armazenar:

200.000 BTU/hr x 6 horas = 1.200.000 BTU

Subir um quilo de água 1°F requer 1 BTU. Cada quilo de água pode armazenar apenas 112 BTU. Portanto, a quantidade de água necessária é:

1.200.000 BTU ÷ 112 BTU/lb = 10.714 lb

Desde que a água pesa 8,3 libras por galão, 10.714 libras de água é igual a 1.291 galões.

Na prática, a temperatura máxima da água raramente excede 200°F; portanto, é necessária uma capacidade de armazenamento ligeiramente superior a 1.291 galões.

Estes cálculos assumem que não se perde calor do tanque ou das tubagens que transportam a água de e para a carga. Estas perdas podem ser significativas, dependendo de como o tubo está isolado, da distância do tanque até à carga e da temperatura exterior.

É muito boa ideia instalar um termómetro na linha de saída do tanque. Ele dará uma indicação precisa da temperatura da água no interior do tanque. Uma queda na temperatura da água superior a 20°F por hora é uma boa indicação de que o reservatório de água é demasiado pequeno, uma vez que o objectivo de um sistema de água quente é fornecer uma fonte constante de calor sem a necessidade de alimentar constantemente o fogo.

É também uma boa ideia instalar um termómetro nas linhas de ambos os lados da carga – por exemplo, nas linhas de entrada e saída do radiador ou banco de radiadores. Isto permite determinar não só a quantidade de energia perdida entre o tanque e a carga, mas também a eficiência com que os radiadores extraem o calor da água.

Para uma concepção óptima do sistema, a capacidade de armazenamento deve basear-se na potência máxima nominal do queimador, na carga térmica necessária e no período máximo de tempo desejado entre as cargas de combustível. A discussão seguinte ilustra como estes três fatores interagem.

Componha-se, como no exemplo acima, que a carga térmica média necessária é de 200.000 BTU por hora. Isto significa que durante uma hora típica de operação, são necessárias 200.000 BTU de calor. É provável que, no meio de uma noite muito fria, a quantidade de calor necessária exceda essa quantidade. Mas para ter calor suficiente disponível, a capacidade do queimador deve ser pelo menos igual à carga média mais as perdas. De um ponto de vista prático, é aconselhável que o queimador seja classificado entre uma e meia a duas vezes a carga térmica média. Um queimador maior pode produzir calor para armazenamento assim como para uso imediato em momentos em que a carga é média.

Além da energia armazenada na água quente (armazenamento do tanque), também é possível armazenar energia térmica no sistema sob a forma de madeira não queimada. Isto é chamado de armazenamento de caixa de fogo. Em antecipação a uma noite muito fria, um operador de estufa pode queimar o sistema durante todo o dia para aumentar gradualmente a temperatura da água para perto de 212°F. Mesmo que a água já esteja próxima da sua quantidade máxima de calor, o operador pode voltar a encher a caixa de bombeiro pouco antes de sair para a noite. Este combustível adicional acrescenta energia ao sistema. O combustível queimado pode apenas substituir o calor de saída e assim manter a alta temperatura da água. Se o combustível adicional adicionar muito calor muito rapidamente, no entanto, a água no tanque irá ferver e a energia será desperdiçada como vapor.

É improvável que um sistema de água quente durante a operação real seja sujeito a grandes oscilações de carga. Em outras palavras, não seria necessário produzir a saída máxima em uma hora e nenhuma na seguinte. Pelo contrário, aumentos e diminuições graduais ocorrem normalmente durante o dia, à medida que a temperatura exterior e muitos outros factores mudam. Por outro lado, o calor fornecido ao sistema pelo fogo é normalmente bastante esporádico, dependendo de quanto e com que freqüência o combustível é adicionado. O valor de um sistema de água quente baseia-se em parte na sua capacidade de armazenar energia térmica rapidamente, mas liberta-a lentamente a uma taxa controlada.

Se o queimador produzir mais calor do que está a ser utilizado pelo sistema, o calor extra será armazenado, desde que a capacidade de armazenamento não tenha sido excedida. Exceder a capacidade de armazenamento faz com que a água ferva. Quando isso acontece, o calor produzido em excesso passa para fora do sistema sob a forma de vapor. A energia necessária para ferver a água é simplesmente desperdiçada. A fervura frequente num sistema de água quente indica que o queimador é demasiado grande ou está a ser queimado com demasiada frequência ou que a capacidade de armazenamento de calor do sistema é demasiado pequena.

Se a capacidade de armazenamento de calor for inadequada, uma solução é adicionar outro reservatório. Um tanque tandem é normalmente posicionado o mais próximo possível do tanque principal e ligado por um tubo de entrada e saída e por uma bomba (Figura 3). Desta forma, a capacidade de armazenamento pode ser aumentada com bastante facilidade sem perturbar o resto do sistema. A água deve ser sempre bombeada continuamente entre os dois tanques para distribuir o calor de forma uniforme. Isto pode ser feito adicionando uma bomba extra ou usando parte do fluxo de uma bomba existente se esta tiver capacidade excessiva.

Sistema de água quente não são sistemas de vapor; ou seja, nunca há nenhuma pressão no sistema além da produzida pelas bombas. O tanque de água quente deve ser ventilado para evitar a acumulação de pressão quando a água é aquecida e se expande ou se transforma em vapor. Um tanque de armazenamento não ventilado é extremamente perigoso. São necessárias pelo menos duas saídas de ventilação na parte superior do tanque. Melhor ainda, o orifício que normalmente é cortado na parte superior do tanque durante a construção pode ser deixado aberto mas coberto com um pedaço de chapa metálica.

Insolução

É necessário isolar o tanque e todos os tubos para evitar a fuga de calor. Para tanques ao ar livre, o isolamento em poliuretano pulverizado é adequado, especialmente se for pintado e protegido da exposição direta ao fogo e à luz solar. Um revestimento de 1 polegada de espessura, produzindo uma classificação de isolamento R-7, custa cerca de $1 por pé quadrado. Por exemplo, para um tanque de 2.000 galões de 64 polegadas de diâmetro e 12 pés de comprimento, o isolamento custará aproximadamente $250. A Tabela 4 apresenta o valor estimado de isolamento de diferentes espessuras de poliuretano em tanques.

Esta tabela mostra que o custo da aplicação de uma quantidade mínima de isolamento pode ser facilmente justificado pela economia nos custos de energia. O custo adicional de isolamento maior que 1⁄2 polegadas de espessura, no entanto, é difícil de justificar.

Uma alternativa é colocar o sistema debaixo de um telhado do tipo “shed-type”, onde pode ser isolado com taco de fibra de vidro relativamente barato. A fibra de vidro, que pode ter suporte de folha de alumínio, pode ser mantida no lugar com arame de galinha de malha grande. O custo do galpão, isolamento, filme, arame e mão-de-obra pode ser maior do que o do isolamento de poliuretano pulverizado, mas este tipo de isolamento provavelmente durará muito mais e produzirá um melhor valor R.

Prevenção da Ferrugem

É aconselhável usar algum tipo de medidas de prevenção da ferrugem para proteger o interior do tanque e dos tubos contra a corrosão. Há uma série de produtos químicos comerciais disponíveis destinados a serem utilizados principalmente em caldeiras de alta temperatura. Alguns destes seriam bastante caros de adquirir na quantidade necessária para proteger um sistema de água quente de tamanho moderado.

Um método que tem sido considerado adequado em sistemas de água quente é adicionar certos químicos relativamente baratos para aumentar o pH da água. Entre estes estão carbonato de potássio, carbonato de sódio (soda de lavagem) e metafosfato de sódio hexa (Calgon). Estes químicos previnem a corrosão através do revestimento das paredes metálicas dos sistemas. Dos químicos acima mencionados, o Calgon funciona melhor. Ele pode ser adquirido na maioria das mercearias. Use 5 libras para cada 1.000 galões de água. Em condições normais, nenhum destes químicos se degradará e consequentemente permanecerá ativo no sistema por muito tempo.

Tubos de fogo

Embora algum calor passe para a água através das paredes da caixa de fogo, o principal caminho de calor do fogo para a água é através dos tubos de fogo. A maioria dos sistemas são projetados de forma que os gases quentes emitidos pelo fogo passem através de uma série de tubos de fogo que correm de uma extremidade do tanque de armazenamento para a outra. Em muitos sistemas os gases são feitos para passar através do tanque mais de uma vez.

É muito importante que o número e o tamanho dos tubos de fogo sejam suficientes para que a maior parte do calor seja transferido dos gases quentes para a água antes dos gases escaparem. Como regra geral, cerca de 1 metro quadrado de área de troca de calor é necessário para cada 2.000 BTU de potência nominal. Por exemplo, se um sistema é dimensionado para produzir 200.000 BTU por hora, são necessários aproximadamente 100 pés quadrados de área de troca de calor. Esta área pode incluir a superfície arrefecida por água da caixa de bombeiro, bem como os próprios tubos de bombeiro. Ambas as áreas são frequentemente chamadas de superfície da lareira.

O diâmetro externo dos tubos de fogo é usado para calcular a área. A Tabela 5 lista vários tamanhos de tubos padrão comumente usados, juntamente com seu diâmetro externo real e o número de pés corridos necessários para produzir 1 pé quadrado de superfície.

O tamanho adequado da tubagem a utilizar depende de uma série de factores. No exemplo do sistema com uma capacidade de 200.000 BTU por hora, são necessários 100 pés quadrados de área de troca de calor. A partir da Tabela 1, o volume recomendado da caixa de bombeiro é de 9 pés cúbicos. Uma caixa de bombeiros adequada com este volume seria uma que tivesse 11⁄2 pés de comprimento, 2 pés de largura, e 3 pés de altura. A área de superfície desta caixa de bombeiro é de 27 pés quadrados (incluindo a porta arrefecida por água). Portanto, a caixa de fogo forneceria 27 pés quadrados dos 100 pés quadrados necessários. Os tubos de fogo devem fornecer os outros 73 pés quadrados.

Para encontrar o comprimento do tubo de um determinado diâmetro necessário para fornecer a área de superfície desejada, multiplique os números na terceira coluna da Tabela 5. Por exemplo, se você selecionar 11⁄2-inch pipe, multiplique 73 pés lineares por 2.01:

73 pés x 2.01 pés/sq ft = 146.72 pés

Sobre 147 pés lineares de 11⁄2-inch pipe é necessário para obter 73 pés quadrados de área de troca de calor. Por outro lado, se você usar um cano de 3 polegadas você precisa apenas de cerca de 80 pés:

73 pés x 1.09 pés/sq ft = 79.73 pés

Qual é o melhor tamanho? Considerado estritamente do ponto de vista do custo, não há muita diferença entre 147 pés de cano 11⁄2 e 80 pés de cano de 3 polegadas. Contudo, é muito mais fácil soldar o tubo maior. Também será necessário limpar o interior do tubo de vez em quando para remover cinzas, fuligem, e outros depósitos. Limpar um tubo maior de comprimento mais curto é mais fácil. O maior número de tubos menores, no entanto, seria um pouco mais eficiente na transferência de calor. A experiência tem mostrado que tubos de 2 a 3 polegadas funcionam melhor em geral.

Depósitos de cinzas nos tubos de fogo reduzirão grandemente a taxa de transferência de calor. É bom ter alguma maneira de determinar o quão bem eles estão funcionando. Um dos melhores e menos caros métodos é posicionar um termômetro de alta temperatura no ponto onde os gases saem dos tubos de fogo e iniciam a pilha. Quanto mais próxima a temperatura da água, mais eficazmente os tubos de fogo estão a transferir calor. Uma temperatura do gás de 300 a 350°F indica uma transferência de calor eficiente. Uma temperatura do gás superior a 450°F indica que a área de troca de calor é muito pequena ou que os tubos de fogo se tornaram revestidos.

Estratamento

Uma condição curiosa às vezes ocorre em sistemas médios a grandes. Mesmo que a caixa de bombeiro esteja constantemente a ser alimentada e a água possa ser vista a ferver da parte superior do tanque, a temperatura da água a ser retirada do tanque para distribuição é de apenas 170 a 180°F. Esta situação ocorre em sistemas em que a entrada e saída estão perto do fundo do tanque e não há bomba de circulação auxiliar para manter a água em movimento. A condição chama-se estratificação e resulta quando a água a diferentes temperaturas se separa em camadas distintas, permanecendo a água mais quente na parte superior. A estratificação pode ocorrer em qualquer sistema mas normalmente é mais pronunciada nos grandes.

A densidade da água a 100°F é cerca de 3,5 por cento maior do que a 200°F. Assim como o ar, a água quente sobe e a água fria afunda. Para evitar a estratificação, a água deve ser mantida em movimento. Um método é conectar os tubos de retorno na parte superior do tanque acima da caixa de bombeiro (a parte mais quente do sistema) e retirar água da parte inferior do tanque na outra extremidade. O problema com esta abordagem é que as bombas de distribuição podem não funcionar o tempo todo e a estratificação pode ocorrer quando as bombas são desligadas.

Uma melhor solução é instalar uma bomba de circulação auxiliar em funcionamento contínuo para mover a água da parte mais fria para a parte mais quente do tanque. A mistura constante da água evitará a estratificação. A bomba de circulação não precisa ser grande, pois há muito pouca altura manométrica a ultrapassar. Deve ser capaz de bombear 0,2 a 0,5 vezes a capacidade do sistema por hora. Por exemplo, um sistema de 2.000 galões deve ter uma bomba capaz de bombear de 400 a 1.000 galões por hora. Uma bomba elétrica 1⁄6 a 1⁄2-horsepower é normalmente adequada.

Figure 3. Um tanque adicional aumentará a capacidade de armazenamento.

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Figure 3. Um tanque adicional aumentará a capacidade de armazenamento.