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

Cea mai vizibilă parte a unui sistem de apă caldă este rezervorul de apă. Rezervoarele standard adecvate pentru sistemele de încălzire cu apă caldă sunt disponibile într-o varietate de dimensiuni, capacități și grosimi ale pereților. Rezervoarele subterane au pereți mai groși decât varianta supraterană, ceea ce le face mult mai bune pentru sudură. Având posibilitatea de a alege, este mai bine să folosiți un rezervor scurt, cu diametru mare, decât unul lung și subțire, deoarece un rezervor mai scurt are o suprafață mai mică, reducând pierderile de căldură și costurile de izolare. Tabelul 3 prezintă dimensiunile și capacitățile pentru o gamă largă de rezervoare standard de depozitare a petrolului.

.

Deși este mai bine să folosiți un rezervor nou, multe sisteme de succes au fost construite cu rezervoare folosite. Rezervoarele de stocare a uleiului uzat pot fi adesea obținute pur și simplu la cerere. Dacă vă decideți să încercați un rezervor folosit, inspectați-l cu atenție pentru a vedea dacă are găuri sau puncte subțiri. De asemenea, întrebați ce lichid a fost depozitat în rezervor. Atenție: Nu sudați sau tăiați niciodată pe un rezervor despre care bănuiți că a conținut materiale inflamabile decât dacă acesta este curățat și ventilat temeinic. O metodă de îndepărtare a reziduurilor de ulei sau de benzină dintr-un rezervor mare este de a amesteca aproximativ 2 lire sterline de detergent la mia de galoane de capacitate cu suficientă apă pentru a-l dizolva și de a turna această soluție în rezervor. Apoi umpleți rezervorul complet cu apă și lăsați-l să stea câteva zile înainte de a-l goli și de a începe să lucrați la el.

Capacitatea de stocare a căldurii

Cum s-a menționat într-o secțiune anterioară, o măsură a capacității unui sistem este capacitatea sa de stocare a căldurii. Apa este una dintre cele mai puțin costisitoare și mai ușor de transportat și controlat substanțe. Este, de asemenea, unul dintre cele mai bune medii de stocare a căldurii cunoscute. Apa poate stoca de patru sau cinci ori mai multă căldură decât piatra, de până la zece ori mai multă decât majoritatea metalelor și de aproximativ patru ori mai multă decât aerul pe unitate de greutate. Singurul său dezavantaj este că nu poate stoca căldură la temperaturi mai mari de 212°F decât dacă este sub presiune. Acest lucru îi limitează utilitatea pentru aplicațiile la temperaturi ridicate. Cu toate acestea, pentru aplicațiile de încălzire a spațiului în sere și alte aplicații agricole, comerciale sau rezidențiale, această limitare nu reprezintă, de obicei, o problemă.

Pe definiție, o unitate termică britanică (BTU) este cantitatea de căldură necesară pentru a crește temperatura unei lire sterline de apă cu 1F. Un galon de apă cântărește aproximativ 8,3 lire sterline, astfel încât energia termică necesară pentru a ridica temperatura unui galon la 100°F este:

8,3 lire sterline x 100°F = 830 BTU

În comparație, ridicarea temperaturii a 8,3 lire sterline de pietriș la 100°F ar necesita doar aproximativ 166 BTU.

După cum s-a menționat anterior, apa nu poate fi încălzită la peste 212°F la presiune atmosferică. Această temperatură determină limita superioară a cantității de căldură pe care apa nepresurizată o poate stoca. Limita inferioară este stabilită de temperatura de încărcare dorită. De exemplu, dacă o seră trebuie să fie menținută la 65°F, atunci această temperatură este limita inferioară. Diferența dintre limita superioară și cea inferioară,

212°F – 65°F = 147°F

indică câtă căldură utilizabilă poate reține un anumit volum de apă.

De fapt, nu este practic să se tragă temperatura de stocare până la limita inferioară. Rata de transfer de căldură către sarcină (de exemplu, de la radiatoare la aerul din interiorul unei sere) este mult redusă pe măsură ce temperatura apei încălzite care intră se apropie de temperatura aerului din sarcină. Din acest motiv, este de dorit să se mențină temperatura inferioară de stocare a apei cu cel puțin 35°F peste temperatura de încărcare dorită. Prin urmare, în exemplul anterior, temperatura limită inferioară ar fi de 100°F și diferența de temperatură nu ar fi de 147°F, ci

212°F – (65°F + 35°F) = 112°F

De aceea, intervalul de temperatură de stocare a apei este limitat la 112°F. Folosind aceste informații ca ghid, putem determina acum câtă capacitate de stocare este necesară.

Dacă se stabilește că sarcina termică dorită este de 200.000 BTU pe oră și se dorește să se dispună de 6 ore de încălzire după ce focul se stinge, cantitatea de apă trebuie să fie adecvată pentru a stoca:

200.000 BTU/oră x 6 ore = 1.200.000 BTU

Creșterea unei lire sterline de apă cu 1°F necesită 1 BTU. Fiecare kilogram de apă poate stoca doar 112 BTU. Prin urmare, cantitatea de apă necesară este:

1.200.000 BTU ÷ 112 BTU/lb = 10.714 lb

Din moment ce apa cântărește 8,3 livre pe galon, 10.714 livre de apă sunt egale cu 1.291 galoane.

În practică, temperatura maximă a apei rareori depășește 200°F; prin urmare, este necesară o capacitate de stocare puțin mai mare de 1.291 de galoane.

Aceste calcule presupun că nu se pierde căldură din rezervor sau din țevile care transportă apa la și de la încărcătură. Aceste pierderi pot fi semnificative, în funcție de cât de bine sunt izolate conductele, de distanța de la rezervor la sarcină și de temperatura exterioară.

Este o idee foarte bună să se instaleze un termometru în conducta de ieșire a rezervorului. Acesta va oferi o indicație precisă a temperaturii apei din interiorul rezervorului. O scădere a temperaturii apei cu mai mult de 20°F pe oră este un bun indiciu că rezervorul de apă este prea mic, deoarece scopul unui sistem de apă caldă este de a furniza o sursă constantă de căldură fără a fi nevoie să se alimenteze focul în mod constant.

Este, de asemenea, o idee bună să instalați un termometru în conductele de pe ambele părți ale sarcinii – de exemplu, pe conductele de intrare și de ieșire ale radiatorului sau băncii de radiatoare. Acest lucru face posibilă determinarea nu numai a cantității de energie pierdută între rezervor și sarcină, ci și a eficienței cu care radiatoarele extrag căldura din apă.

Pentru proiectarea optimă a sistemului, capacitatea de stocare trebuie să se bazeze pe puterea nominală maximă a arzătorului, pe sarcina termică necesară și pe durata maximă de timp dorită între încărcările de combustibil. Următoarea discuție ilustrează modul în care acești trei factori interacționează.

Să presupunem, ca în exemplul de mai sus, că sarcina termică medie necesară este de 200.000 BTU pe oră. Aceasta înseamnă că, în timpul unei ore obișnuite de funcționare, este necesară o cantitate de căldură de 200.000 BTU. Este probabil ca în mijlocul unei nopți foarte reci, cantitatea de căldură necesară să depășească această cantitate. Dar pentru a avea suficientă căldură disponibilă, capacitatea arzătorului trebuie să fie cel puțin egală cu sarcina medie plus pierderile. Din punct de vedere practic, este recomandabil ca arzătorul să aibă o capacitate nominală de o dată și jumătate până la două ori mai mare decât sarcina termică medie. Un arzător mai mare poate produce căldură pentru stocare, precum și pentru utilizare imediată în momentele în care sarcina este medie.

În afară de energia stocată în apa caldă (stocare în rezervor), este de asemenea posibil să se stocheze energie termică în sistem sub formă de lemn nears. Acest lucru se numește stocare în focar. În anticiparea unei nopți foarte reci, un operator de seră ar putea alimenta sistemul pe tot parcursul zilei pentru a crește treptat temperatura apei aproape de 212°F. Chiar dacă apa reține deja aproape de cantitatea maximă de căldură, operatorul ar putea umple din nou focarul chiar înainte de a pleca pentru noapte. Acest combustibil suplimentar adaugă energie la sistem. Combustibilul care arde ar putea doar să înlocuiască căldura de ieșire și să mențină astfel temperatura ridicată a apei. Cu toate acestea, dacă combustibilul suplimentar adaugă prea multă căldură prea repede, apa din rezervor va fierbe și energia va fi irosită sub formă de abur.

Este puțin probabil ca un sistem de apă caldă, în timpul funcționării reale, să fie supus unor oscilații foarte mari de sarcină. Cu alte cuvinte, nu i s-ar cere să producă producția maximă într-o oră și niciuna în următoarea. Mai degrabă, creșteri și scăderi graduale au loc în mod normal în timpul zilei, pe măsură ce temperatura exterioară și mulți alți factori se schimbă. Pe de altă parte, căldura furnizată sistemului de la foc este în mod normal destul de sporadică, în funcție de cantitatea și de frecvența cu care se adaugă combustibil. Valoarea unui sistem de apă caldă se bazează în parte pe capacitatea sa de a stoca rapid energia termică, dar de a o elibera lent, într-un ritm controlat.

Dacă arzătorul produce mai multă căldură decât cea utilizată de sistem, căldura în plus va fi stocată, cu condiția să nu fi fost depășită capacitatea de stocare. Depășirea capacității de stocare face ca apa să fiarbă. Când se întâmplă acest lucru, căldura produsă în exces iese din sistem sub formă de abur. Energia necesară pentru a fierbe apa este pur și simplu irosită. Fierberea frecventă într-un sistem de apă caldă indică faptul că arzătorul este prea mare sau este aprins prea des sau că capacitatea de stocare a căldurii din sistem este prea mică.

Dacă capacitatea de stocare a căldurii este insuficientă, o soluție este adăugarea unui alt rezervor. Un rezervor tandem este în mod normal poziționat cât mai aproape posibil de rezervorul principal și este conectat printr-o conductă de intrare și ieșire și o pompă (figura 3). În acest fel, capacitatea de stocare poate fi crescută destul de ușor fără a perturba restul sistemului. Apa trebuie să fie întotdeauna pompată continuu între cele două rezervoare pentru a distribui căldura în mod uniform. Acest lucru se poate face prin adăugarea unei pompe suplimentare sau prin utilizarea unei părți din debitul unei pompe existente, dacă aceasta are o capacitate excedentară.

Sistemele de apă caldă nu sunt sisteme de abur; adică nu există niciodată în sistem altă presiune decât cea produsă de pompe. Rezervorul de apă caldă trebuie să fie ventilat pentru a preveni acumularea de presiune atunci când apa este încălzită și se dilată sau se transformă în abur. Un rezervor de stocare fără ventilație este extrem de periculos. Sunt necesare cel puțin două orificii de aerisire în partea superioară a rezervorului. Mai bine, gura de vizitare care este de obicei tăiată în partea de sus a rezervorului în timpul construcției poate fi lăsată deschisă, dar acoperită cu o bucată de tablă.

Izolație

Este necesar să se izoleze rezervorul și toate țevile pentru a preveni scăpările de căldură. Pentru rezervoarele de exterior, izolația din poliuretan pulverizat este potrivită, mai ales dacă este vopsită și protejată de expunerea directă la foc și la lumina soarelui. Un strat cu o grosime de 2,5 cm, care asigură un indice de izolare R-7, costă aproximativ 1 dolar pe picior pătrat. De exemplu, pentru un rezervor de 2.000 de galoane cu diametrul de 64 de inci și lungimea de 12 picioare, izolația va costa aproximativ 250 de dolari. Tabelul 4 prezintă valoarea izolatoare estimată a diferitelor grosimi de poliuretan pe rezervoare.

Acest tabel arată că costul aplicării unei cantități minime de izolație poate fi ușor justificat de economiile de energie. Cu toate acestea, costul suplimentar al izolației cu o grosime mai mare de 1⁄2 inch este greu de justificat.

O alternativă este plasarea sistemului sub un acoperiș de tip șarpantă, unde poate fi izolat cu plăci de fibră de sticlă relativ ieftine. Fibra de sticlă, care poate avea un suport din folie de aluminiu, poate fi ținută în poziție cu sârmă de pui cu ochiuri mari. Costul șopronului, al izolației, al foliei, al sârmei și al manoperei poate fi mai mare decât cel al izolației din poliuretan pulverizat, dar acest tip de izolație va dura probabil mult mai mult și va da o valoare R mai bună.

Prevenirea ruginei

Se recomandă utilizarea unor măsuri de prevenire a ruginii pentru a proteja interiorul rezervorului și al țevilor de coroziune. Există o serie de produse chimice comerciale disponibile destinate a fi utilizate în principal în cazanele de înaltă temperatură. Unele dintre acestea ar fi destul de costisitoare pentru a fi achiziționate în cantitatea necesară pentru a proteja un sistem de apă caldă de dimensiuni moderate.

O metodă care s-a dovedit a fi adecvată în sistemele de apă caldă este adăugarea anumitor substanțe chimice relativ ieftine pentru a crește pH-ul apei. Printre acestea se numără carbonatul de potasiu, carbonatul de sodiu (sodă de spălat) și hexa metafosfatul de sodiu (Calgon). Aceste substanțe chimice previn coroziunea prin acoperirea pereților metalici ai sistemelor. Dintre substanțele chimice menționate mai sus, Calgon funcționează cel mai bine. Acesta poate fi achiziționat de la majoritatea magazinelor alimentare. Folosiți 5 livre pentru fiecare 1.000 de galoane de apă. În condiții normale, niciuna dintre aceste substanțe chimice nu se va degrada și, în consecință, vor rămâne active în sistem pentru o perioadă lungă de timp.

Firetube

Deși o parte din căldură trece la apă prin pereții focarului, principala cale de transmitere a căldurii de la foc la apă este prin firetube. Majoritatea sistemelor sunt proiectate astfel încât gazele fierbinți degajate de foc să treacă printr-o serie de tuburi de foc care merg de la un capăt la altul al rezervorului de stocare. În multe sisteme, gazele sunt făcute să treacă prin rezervor de mai multe ori.

Este foarte important ca numărul și dimensiunea tuburilor de foc să fie suficiente pentru ca cea mai mare parte a căldurii să fie transferată de la gazele fierbinți la apă înainte ca gazele să scape. Ca regulă generală, este necesar aproximativ 1 picior pătrat de suprafață de schimb de căldură pentru fiecare 2.000 BTU de putere nominală. De exemplu, dacă un sistem este dimensionat pentru a produce 200.000 BTU pe oră, este nevoie de aproximativ 100 de metri pătrați de suprafață de schimb de căldură. Această suprafață poate include suprafața răcită cu apă a focarului, precum și tuburile de foc propriu-zise. Ambele suprafețe sunt adesea numite suprafața de foc.

Diametrul exterior al tuburilor de foc este utilizat pentru a calcula suprafața. Tabelul 5 enumeră mai multe dimensiuni de țevi standard utilizate în mod obișnuit, împreună cu diametrul exterior real al acestora și numărul de picioare curente necesare pentru a obține 1 picior pătrat de suprafață.

Dimensiunea corectă a țevii care trebuie folosită depinde de o serie de factori. În sistemul de exemplu cu o capacitate de 200.000 BTU pe oră, sunt necesari 100 de metri pătrați de suprafață de schimb de căldură. Din tabelul 1, volumul recomandat al focarului este de 9 picioare cubice. Un focar adecvat având acest volum ar fi unul care are 11⁄2 picioare lungime, 2 picioare lățime și 3 picioare înălțime. Suprafața acestei cutii de foc este de 27 de picioare pătrate (inclusiv ușa răcită cu apă). Prin urmare, focarul ar asigura 27 de metri pătrați din cei 100 de metri pătrați necesari. Tuburile de foc trebuie să asigure ceilalți 73 de picioare pătrate.

Pentru a afla lungimea de țeavă cu un anumit diametru necesară pentru a asigura suprafața dorită, înmulțiți numerele din a treia coloană a tabelului 5. De exemplu, dacă selectați o țeavă de 11⁄2 inch, înmulțițiți 73 de picioare liniare cu 2,01:

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

Aproximativ 147 de picioare liniare de țeavă de 11⁄2 inch sunt necesare pentru a obține 73 de picioare pătrate de suprafață de schimb de căldură. Pe de altă parte, dacă folosiți o țeavă de 3 inci, aveți nevoie doar de aproximativ 80 de picioare:

73 ft x 1,09 ft/mp = 79,73 ft

Ce dimensiune este cea mai bună? Privită strict din punct de vedere al costurilor, nu există o diferență prea mare între 147 de picioare de țeavă de 11⁄2 inch și 80 de picioare de țeavă de 3 inch. Cu toate acestea, este mult mai ușor de sudat conducta mai mare. De asemenea, va fi necesar să curățați din când în când interiorul țevii pentru a îndepărta cenușa, funinginea și alte depuneri. Curățarea unei lungimi mai scurte de țeavă mai mare este mai ușoară. Cu toate acestea, numărul mai mare de țevi mai mici ar fi ceva mai eficient în ceea ce privește transferul de căldură. Experiența a arătat că o țeavă de 2 până la 3 inci funcționează cel mai bine în general.

Depunerile de cenușă în tuburile de foc vor reduce foarte mult rata de transfer de căldură. Este bine să existe o modalitate de a determina cât de bine funcționează acestea. Una dintre cele mai bune și mai puțin costisitoare metode este de a poziționa un termometru de înaltă temperatură în punctul în care gazele părăsesc tuburile de foc și pornesc pe coș. Cu cât temperatura apei este mai apropiată, cu atât mai eficient este transferul de căldură prin tuburile de foc. O temperatură a gazelor cuprinsă între 300 și 350°F indică un transfer de căldură eficient. O temperatură a gazelor mai mare de 450°F indică faptul că zona de schimb de căldură este prea mică sau că tuburile de foc au devenit acoperite.

Stratificare

O condiție curioasă apare uneori în sistemele medii și mari. Chiar dacă focarul este alimentat în mod constant și apa poate fi văzută fierbând din partea superioară a rezervorului, temperatura apei care este extrasă din rezervor pentru distribuție este de numai 170-180°F. Această situație apare în sistemele în care intrarea și ieșirea se află aproape de partea de jos a rezervorului și nu există o pompă de circulație auxiliară care să mențină apa în mișcare. Condiția se numește stratificare și rezultă atunci când apa la temperaturi diferite se separă în straturi distincte, apa cea mai caldă rămânând în partea superioară. Stratificarea poate apărea în orice sistem, dar este de obicei mai pronunțată în cele mari.

Densitatea apei la 100°F este cu aproximativ 3,5 procente mai mare decât la 200°F. La fel ca aerul, apa caldă se ridică și apa rece se scufundă. Pentru a preveni stratificarea, apa trebuie să fie menținută în mișcare. O metodă este conectarea țevilor de retur în partea superioară a rezervorului, deasupra focarului (partea cea mai caldă a sistemului) și extragerea apei din partea inferioară a rezervorului la celălalt capăt. Problema cu această abordare este că este posibil ca pompele de distribuție să nu funcționeze tot timpul, iar stratificarea poate apărea atunci când pompele sunt oprite.

O soluție mai bună este instalarea unei pompe de circulație auxiliare cu funcționare continuă pentru a muta apa din partea cea mai rece în partea cea mai caldă a rezervorului. Amestecarea constantă a apei va preveni stratificarea. Pompa de circulație nu trebuie neapărat să fie mare, deoarece există o înălțime foarte mică de depășit. Ea ar trebui să fie capabilă să pompeze de 0,2 până la 0,5 ori capacitatea sistemului pe oră. De exemplu, un sistem de 2.000 de galoane ar trebui să aibă o pompă capabilă să pompeze între 400 și 1.000 de galoane pe oră. O pompă electrică de 1⁄6 până la 1⁄2 cai putere este de obicei adecvată.

Figura 3. Un rezervor suplimentar va crește capacitatea de stocare.

×

Figura 3. Un rezervor suplimentar va crește capacitatea de stocare.

.