Tanque de expansión vs. Tanque amortiguador vs. Tanque de almacenamiento térmico: Parte 1

Introducción: Tres componentes comunes, tres propósitos diferentes

Al diseñar un sistema de bomba de calor aire-agua, los ingenieros y instaladores se encuentran con frecuencia con tres componentes:

• Tanques de expansión

• Tanques de amortiguación

• Cisternas de almacenamiento térmico

Aunque estos componentes se utilizan comúnmente en sistemas hidrónicos de calefacción y refrigeración, sus funciones a menudo se malinterpretan.

Algunos instaladores creen que los tres son necesarios para cada instalación de bomba de calor.Otros suponen que un tanque amortiguador puede reemplazar a un tanque de expansión o que un tanque de agua más grande mejora automáticamente la eficiencia del sistema.

Ninguna de las hipótesis es necesariamente correcta.

La diferencia fundamental es simple: un tanque de expansión gestiona la presión, un tanque tampón gestiona la estabilidad hidráulica y térmica, y un tanque de almacenamiento térmico almacena energía para su uso posterior.

La comprensión de estas diferencias es esencial para el diseño adecuado del sistema, la protección del equipo y la eficiencia operativa a largo plazo.

En este primer artículo de nuestra serie técnica, nos centraremos en el tanque de expansión, explicando su principio de funcionamiento, aplicaciones, consideraciones de tamaño, requisitos de instalación,y errores de ingeniería comunes.

1¿Qué es un tanque de expansión en un sistema de bomba de calor?

Un tanque de expansión, también conocido como recipiente de expansión, es un componente de control de presión utilizado en sistemas hidrónicos de circuito cerrado.

Su función principal es acomodar los cambios en el volumen de agua causados por las fluctuaciones de temperatura.

El agua se expande cuando se calienta y se contrae cuando se enfría.

En un sistema de tuberías completamente cerrado, incluso un aumento relativamente pequeño del volumen de agua puede causar un aumento significativo de la presión.

Sin una capacidad de expansión adecuada, la presión excesiva puede provocar:

• Actividad frecuente de las válvulas de alivio de presión

• Fugas de agua de los accesorios y conexiones

• Presión del sistema inestable

• Aumento de la tensión en las bombas, válvulas e intercambiadores de calor

• Deterioro prematuro de los componentes del sistema

Un depósito de expansión de tamaño adecuado ayuda a mantener la presión dentro del rango de funcionamiento permitido del sistema.

Es importante:Un tanque de expansión no genera calor, aumenta la capacidad de calefacción o proporciona un almacenamiento significativo de energía térmica.

2¿Cómo funciona un tanque de expansión del diafragma?

Los sistemas modernos de bomba de calor hidrónica utilizan comúnmente vasos de expansión de tipo diafragma o vejiga.

Estos recipientes suelen contener:

1. Un recipiente de presión de acero sellado

2. Un diafragma o vejiga flexible

3. Una cámara de gas comprimido, normalmente cargada con nitrógeno o aire

4. Conexión de agua al circuito de calefacción

5. Válvula de carga de gas para el ajuste de la presión

El diafragma separa el agua del sistema del gas comprimido.

Etapa 1: Sistema a una temperatura más baja

Cuando el sistema de calefacción está frío, el agua ocupa un volumen menor.

El recipiente de expansión contiene un volumen de gas relativamente grande, dependiendo de la presión de llenado del sistema y la presión de precarga del recipiente.

El gas comprimido actúa como un cojín elástico.

Etapa 2: Aumento de la temperatura del agua

Cuando la bomba de calor comienza a calentarse, el agua se expande.

Debido a que el sistema de tuberías está cerrado, el volumen adicional de agua debe alojarse en algún lugar.

El agua en expansión entra en el recipiente de expansión y comprime la cámara de gas.

A medida que el volumen del gas disminuye, su presión aumenta.

Esto permite al sistema adaptarse a la expansión térmica sin un aumento excesivo de la presión.

Etapa 3: Baja la temperatura del agua

Cuando el sistema de calefacción se enfría, el agua se contrae.

El gas comprimido se expande y empuja el agua del recipiente de expansión de nuevo al circuito hidrónico.

Esto ayuda a mantener la presión del sistema a medida que la temperatura del agua cambia.

El proceso se repite durante los ciclos normales de calentamiento y enfriamiento.

Una analogía sencilla

Piense en el tanque de expansión como un cojín de presión.

Cuando el agua se expande, el colchón se comprime.

Cuando el agua se contrae, el colchón se expande.

Por lo tanto, el recipiente de expansión absorbe los cambios en el volumen de agua en lugar de permitir que esos cambios generen fluctuaciones de presión excesivas.

3¿Por qué los sistemas de bomba de calor necesitan tanques de expansión?

Una bomba de calor aire-agua transfiere energía térmica a través del agua circulante.

Durante el funcionamiento, la temperatura del agua puede variar sustancialmente en función de la aplicación.

Por ejemplo:

• La calefacción por suelo puede funcionar con temperaturas del agua de suministro de alrededor de 30°C a 40°C.

• Los radiadores de baja temperatura pueden requerir aproximadamente 40°55°C.

• Algunas aplicaciones de calefacción de alta temperatura funcionan a temperaturas más altas, sujeto a las especificaciones del equipo.

• Los sistemas de calefacción y refrigeración reversibles pueden experimentar un rango de temperatura más amplio durante todo el año.

A medida que la temperatura del agua cambia, también lo hace su volumen.

Ejemplo: Expansión térmica del agua

Considere un sistema de calefacción cerrado que contiene 500 litros de agua.

Si la temperatura del agua aumenta de aproximadamente 10°C a 80°C, su volumen aumenta aproximadamente un 2,9%, lo que corresponde a unos 14,5 litros.

Este volumen adicional debe ser acomodado por el sistema de expansión.

El ejemplo ilustra por qué no se puede ignorar la expansión térmica, incluso cuando el cambio de volumen parece relativamente pequeño.

El volumen de expansión real depende del rango de temperatura, la composición del fluido y las condiciones del sistema.

Por qué los sistemas pequeños también necesitan protección

Una idea errónea común es que los buques de expansión solo son necesarios para grandes instalaciones comerciales.

En realidad, incluso los sistemas residenciales pequeños pueden experimentar una presión excesiva si el volumen de expansión es insuficiente.

Cuanto menor sea la capacidad de expansión disponible del sistema, más sensible puede ser su presión a los cambios de temperatura del agua.

Algunas bombas de calor incluyen un recipiente de expansión instalado en la fábrica.

Puede ser necesario un recipiente externo adicional.

4. Tanque de expansión contra tanque tampón contra tanque de almacenamiento térmico

Aunque estos tres componentes pueden aparecer juntos en una instalación de bomba de calor, resuelven diferentes problemas de ingeniería.

El tanque de expansión: gestión de la presión

El depósito de expansión responde a los cambios de volumen de agua causados por las fluctuaciones de temperatura.

Protege el sistema contra las variaciones de presión excesivas.

Tanque amortiguador: estabilidad operativa

Un tanque amortiguador agrega volumen de agua al circuito hidrónico.

Dependiendo de su diseño y conexiones, puede ayudar:

• Reducir el ciclo excesivo del compresor

• Aumentar la masa térmica disponible

• Estabilizar las temperaturas de funcionamiento

• Requisitos energéticos de deshielo de apoyo

• Proporcionar una separación hidráulica entre los circuitos primarios y secundarios

Sin embargo, añadir un tanque tampón no es automáticamente beneficioso.

Una disposición de amortiguador de cuatro tubos diseñada incorrectamente puede introducir mezcla indeseada, reducir las temperaturas de suministro útiles y aumentar el consumo de energía.

En el caso de las instalaciones de almacenamiento térmico: gestión de la energía

Un tanque de almacenamiento térmico está diseñado para retener energía de calefacción o refrigeración utilizable.

Por ejemplo, un sistema puede producir calor durante períodos de precios más bajos de la electricidad y utilizar esa energía almacenada más tarde.

El almacenamiento térmico también puede respaldar sistemas que integren energía solar térmica, múltiples fuentes de calor o tarifas de electricidad variables.

En la práctica, la terminología se superpone.

Un tanque de amortiguación suficientemente grande puede proporcionar algo de almacenamiento térmico, y un tanque de almacenamiento térmico puede contribuir al amortiguamiento del sistema.

La distinción depende de la función prevista, el rango de temperatura utilizable, la disposición hidráulica y la estrategia de control.

El principio clave de la ingeniería es seleccionar cada componente de acuerdo con el problema que debe resolver, en lugar de simplemente instalar todos los accesorios disponibles.

5. Cómo dimensionar un tanque de expansión para un sistema de bomba de calor

El tamaño del recipiente de expansión es una de las consideraciones de diseño más importantes.

Un recipiente de bajo tamaño puede causar aumentos de presión excesivos durante el calentamiento.

Un buque de gran tamaño generalmente proporciona una capacidad de expansión adicional, pero aumenta el costo del equipo y los requisitos de espacio de instalación.

El tamaño correcto requiere varios parámetros.

5.1 Volumen total de agua del sistema

El cálculo deberá tener en cuenta todo el circuito cerrado conectado, incluidos:

• Intercambiador de calor con bomba de calor

• Tubos de distribución

• Circuitos de calefacción por suelo

• Radiadores o válvulas de ventilación

• Tanques de amortiguación

• Otros componentes que contengan agua

Cuanto mayor sea el volumen total del sistema, mayor será la expansión térmica absoluta.

5.2 Temperaturas mínimas y máximas del agua

La expansión térmica depende del rango de temperatura esperado.

Para un sistema de calefacción solo, los ingenieros suelen considerar la condición de llenado en frío y la temperatura máxima de diseño del agua.

En el caso de los sistemas de calefacción y refrigeración reversibles, también debe evaluarse la temperatura de funcionamiento más baja.

Cuando se utilicen soluciones anticongelantes, deberán incluirse sus características de expansión térmica.

5.3 Presión de llenado del sistema

La presión de llenado en frío deberá ser suficiente para mantener la presión positiva en el punto más alto del sistema.

Debe tenerse en cuenta la altura estática, la presión mínima de funcionamiento y los requisitos del equipo.

5.4 Presión máxima admisible

El recipiente de expansión deberá impedir que la presión del sistema supere el límite de diseño aplicable.

Esto incluye la consideración de:

• Ajuste de la válvula de alivio de seguridad

• Presión máxima admisible de los componentes del sistema

• Aumento de la presión durante el funcionamiento

• Margen de seguridad adecuado

5.5 Presión de precarga del recipiente de expansión

La presión de precarga del gas deberá ajustarse a la presión estática del sistema y a las condiciones de llenado.

Una recarga incorrecta puede reducir significativamente el volumen de aceptación utilizable del recipiente.

Cálculo de ingeniería simplificado

El volumen de expansión térmica se puede estimar utilizando:

Ve = Vs × e

Donde:

• Ve= volumen de expansión térmica (litros)

• En contra= volumen total del fluido del sistema (litros)

• El= fracción de expansión volumétrica en el rango de temperatura de diseño

Por ejemplo, si un sistema de 500 litros tiene una fracción de expansión del 2,9%:

Ve = 500 × 0,029 = 14,5 litros

Sin embargo, esto no significa que un recipiente de expansión de 14,5 litros sea suficiente.

Solo una parte del volumen nominal del recipiente está disponible para aceptar agua expandida.

El volumen de aceptación utilizable depende de la presión de precarga, la presión de llenado y la presión máxima de funcionamiento.

Para una aproximación del gas ideal, utilizando presiones absolutas y asumiendo que la presión de llenado en frío es al menos igual a la presión de precarga:

Vv ≥ Ve / [P0/Pf − P0/Pmax]

Donde:

• Vv= volumen nominal requerido del buque

• P0= presión de precarga del gas del recipiente, en absoluto

• Pf= presión de llenado en frío, absoluta

• Pmax= presión máxima de funcionamiento permitida, en absoluto

Esta expresión simplificada excluye el volumen de reserva y otras asignaciones de diseño.

La selección real del recipiente debe seguir las especificaciones del fabricante, las normas aplicables y las condiciones de funcionamiento completas del sistema.

6¿Dónde debe instalarse el tanque de expansión?

La ubicación del tanque de expansión influye en la estabilidad hidráulica y la distribución de la presión.

Para muchos sistemas hidrónicos de circuito cerrado, la disposición preferida es conectar el recipiente de expansión cerca del lado de succión de la bomba de circulación, en el punto de no cambio de presión.

Este es el punto en el que el recipiente de expansión establece la presión de referencia para el circuito.

Por qué importa la ubicación de la bomba

Una bomba de circulación crea una diferencia de presión entre su entrada y salida.

Cuando el recipiente de expansión está conectado cerca de la succión de la bomba, la bomba puede aumentar la presión a través del circuito de distribución manteniendo una presión de referencia estable.

Este arreglo puede ayudar a reducir el riesgo de:

• Presión insuficiente en los puntos altos

• Aire entrando por conexiones vulnerables

• Cavitación de la bomba

• Distribución de presión inestable

Sin embargo, la disposición real depende del diseño hidráulico.

Los sistemas con tanques tampón, separadores hidráulicos, bombas múltiples o varios circuitos de calefacción requieren análisis adicionales.

Recomendaciones de instalación

• Conectar el recipiente de expansión al circuito hidráulico cerrado apropiado.

• Se evitará colocar una válvula de aislamiento normalmente cerrada entre el recipiente y el sistema protegido.

• Proporcionar una conexión de servicio adecuada cuando lo permitan las normas locales.

• Asegurar que el buque sea accesible para su inspección y mantenimiento.

• Compruebe la presión de precarga antes de ponerla en marcha.

• Confirmar la compatibilidad con el fluido de operación y el rango de temperatura.

El recipiente de expansión nunca debe aislarse del sistema operativo sin quererlo.

7Errores comunes en la instalación del tanque de expansión

Erro 1: Asumir que el recipiente de expansión incorporado siempre es suficiente

Algunas bombas de calor aire-agua incluyen un tanque de expansión integrado.

Sin embargo, su capacidad sólo puede ser adecuada para sistemas con un volumen de agua limitado.

Cuando se colocan radiadores adicionales, tuberías largas o grandes tanques tampón, el volumen total de agua aumenta.

Es posible que el recipiente original ya no ofrezca una capacidad de expansión adecuada.

Recomendación:Calcular el volumen total del sistema antes de decidir si se necesita un recipiente de expansión adicional.

Erro 2: Presión incorrecta antes de cargar

Una precarga de gas incorrectamente ajustada reduce el rango operativo efectivo del recipiente de expansión.

Si la precarga es demasiado alta en relación con la presión de llenado en frío, el recipiente puede aceptar inicialmente poca o ninguna agua.

Si la precarga es demasiado baja, el recipiente puede contener exceso de agua cuando está frío, dejando una capacidad insuficiente para una mayor expansión.

Recomendación:Compruebe la precarga con el lado del agua comprimido, siguiendo las instrucciones del fabricante.

Error 3: Instalar el recipiente en un circuito aislado

Si una válvula se cierra entre el recipiente de expansión y el sistema que protege, la expansión térmica puede crear una presión excesiva.

Esto es particularmente importante en sistemas que contienen múltiples zonas o circuitos separados hidráulicamente.

Recomendación:Asegurar que cada circuito cerrado tenga una protección adecuada contra la expansión en todas las condiciones de funcionamiento.

Error 4: confundir los tanques de expansión con los tanques tampón

Un tanque tampón no puede reemplazar automáticamente un recipiente de expansión.

Un tanque tampón convencional está normalmente lleno de agua y no proporciona el volumen de gas compresible controlado requerido para la compensación de expansión.

Recomendación:Tratar la gestión de la presión y el amortiguamiento térmico como requisitos de diseño separados.

Erro 5: Ignorar las propiedades anticongelantes

Los sistemas de bombas de calor en climas fríos pueden contener soluciones anticongelantes a base de glicol.

Estos fluidos tienen características de expansión diferentes a las del agua pura.

Recomendación:Se utilizará la concentración real del fluido y los datos de las propiedades del fabricante al dimensionar el recipiente de expansión.

8Cómo identificar los problemas del tanque de expansión

Varios síntomas operativos pueden indicar un problema de vasos de expansión.

Síntoma 1: La presión aumenta rápidamente durante el calentamiento

Si la presión aumenta bruscamente a medida que el agua se calienta, el recipiente de expansión puede ser de bajo tamaño, cargado incorrectamente, aislado o defectuoso.

Síntoma 2: Descarga frecuente de la válvula de alivio de presión

La descarga repetida de la válvula de seguridad puede indicar una capacidad de expansión insuficiente.

También deben investigarse otras causas, como una presión de llenado incorrecta o una válvula defectuosa.

Síndrome 3: Baja la presión del sistema después de enfriarse

Si la presión cae excesivamente cuando el sistema se enfría, es posible que el recipiente de expansión no funcione correctamente.

La pérdida de presión persistente también puede indicar fugas en otras partes del circuito.

Síntoma 4: Aparece agua en la válvula de carga de gas

En un recipiente de tipo diafragma, el agua descargada de la válvula de carga de gas puede indicar una falla del diafragma.

El recipiente debe inspeccionarse y sustituirse si es necesario.

Síntoma 5: Necesidad frecuente de rellenar el sistema

El reabastecimiento repetido no debe considerarse como un funcionamiento normal.

Puede indicar fugas, descarga de válvula de alivio o problemas de vasos de expansión.

La introducción frecuente de agua dulce también puede aumentar la entrada de oxígeno, el riesgo de corrosión y la formación de depósitos.

9Recomendaciones de mantenimiento e inspección

Los recipientes de expansión requieren una inspección periódica aunque contienen relativamente pocos componentes móviles.

Un programa práctico de mantenimiento debe incluir:

Control de la presión:Registro de la presión del sistema en frío y durante el funcionamiento normal del calentamiento.

Inspección previa a la carga:Verifique la presión del gas del recipiente de acuerdo con las instrucciones de mantenimiento del fabricante.

Inspección de fugas:Examinar las conexiones, los accesorios y el recipiente a presión para detectar fugas o corrosión visibles.

Inspección de las válvulas de alivio:Investigue las descargas repetidas en lugar de simplemente añadir agua.

Calidad del agua del sistema:Mantener el tratamiento del agua y la protección contra la corrosión adecuados a los materiales utilizados.

Registros de puesta en marcha:Se registrará el modelo del recipiente de expansión, la capacidad, la presión de precarga, la presión de llenado del sistema y la presión máxima de funcionamiento.

Estos registros hacen que la solución de problemas en el futuro sea mucho más fácil.

10Preguntas frecuentes

¿Necesita cada bomba de calor aire-agua un tanque de expansión?

Los sistemas de bomba de calor hidrónica de circuito cerrado requieren generalmente una compensación de expansión adecuada.por lo que un recipiente externo adicional no siempre es necesario.

¿Puede un tanque tampón reemplazar un tanque de expansión?

No. Un tanque tampón convencional proporciona volumen de agua y puede ayudar con la separación hidráulica, pero no desempeña la misma función de control de presión que un recipiente de expansión diseñado adecuadamente.

¿Aumenta la eficiencia de la bomba de calor un tanque de expansión más grande?

Un recipiente de tamaño correcto apoya un funcionamiento seguro y estable, pero aumentar su capacidad más allá de lo que requiere el sistema no mejora inherentemente el COP de la bomba de calor.

¿Puede un tanque de expansión reducir el ciclo corto del compresor?

El ciclo corto del compresor está relacionado principalmente con la capacidad mínima de calefacción, la masa térmica del sistema, las condiciones de flujo, la demanda de calor y la estrategia de control.Los tanques amortiguadores pueden ayudar en condiciones adecuadas.

¿Cuál es la diferencia entre un tanque de expansión y un tanque de almacenamiento térmico?

Un tanque de expansión acomoda los cambios de volumen de agua y estabiliza la presión.

¿Puede un tanque de expansión servir a varios circuitos de calefacción?

Posiblemente sí, si los circuitos permanecen conectados hidráulicamente y el recipiente tiene el tamaño correcto para su volumen combinado..

11Perspectiva final de ingeniería: diseño según función

Los tanques de expansión, los tanques tampón y los tanques de almacenamiento térmico pueden verse similares en los diagramas del sistema, pero no son intercambiables.

Un recipiente de expansión es fundamentalmente un dispositivo de gestión de presión.

Un tanque amortiguador aborda el volumen de agua del sistema y, en algunas configuraciones, la estabilidad hidráulica.

Un tanque de almacenamiento térmico está destinado a almacenar energía utilizable.

En una instalación de bombas de calor debidamente diseñada, cada componente debe tener un propósito claramente definido.

La instalación de tanques innecesarios aumenta el costo, la complejidad de la instalación y las posibles pérdidas de calor.

Sin embargo, omitir un recipiente de expansión requerido puede comprometer la seguridad y fiabilidad del sistema.

Una buena ingeniería de bombas de calor no consiste en añadir más componentes, sino en seleccionar los componentes adecuados, dimensionarlos correctamente e integrarlos en un sistema hidráulico fiable.

Siguiente artículo de esta serie

Parte 2: Tanques amortiguadores en los sistemas de bomba de calor ¿Cuándo son necesarios y cuándo pueden reducir la eficiencia?

Examinaremos el tamaño del tanque de amortiguador, las configuraciones de dos tubos y cuatro tubos, la separación hidráulica, el ciclo corto del compresor y los errores comunes de instalación.

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