Mantenimiento y Protección del Fluido Caloportador

Dos puntos clave que pueden generar un riesgo de seguridad en la instalación de las tuberías son la congelación y la ebullición del fluido caloportador. Más adelante veremos detalladamente estos riesgos, pero comentamos ahora que la solución es sencilla en ambos casos:

  • Congelación → Uso de anticongelantes.
  • Ebullición → Sombreado o cubrimiento artificial de los colectores para evitar tal calentamiento.

En el caso de que se den estos riesgos puede haber fugas y filtraciones que no solamente afectaran a la instalación en sí, sino al medio que la rodea, provocando filtraciones, humedades, incluso aparición de hongos y microorganismos en la fachada o en el inmueble donde está situada la instalación solar.
Para evitar riesgos de congelación tendremos que dotar a las instalaciones de la protección necesaria incluso en el caso de no tener energías complementarias, como por ejemplo la electricidad, que puede servir tanto para calentamiento por resistencia, como para hacer funcionar el electrocirculador del fluido caloportador o para la puesta en marcha del mecanismo de vaciado del circuito primario.
La ebullición es menos frecuente y peligrosa para los elementos de la instalación, pero también presenta algunos problemas a considerar.

PROTECCIÓN CONTRA LA CONGELACIÓN

Durante la noche las instalaciones solares están paradas por la ausencia de energía solar. Por este motivo los colectores están expuestos a la congelación durante el invierno y tendremos que tomar las precauciones necesarias para evitar su deterioro.

Está demostrado que la cubierta transparente protege el absorbedor y que el fluido no se congela hasta que la temperatura ambiente desciende varios grados por debajo de 0 °C.

No se saben exactamente las condiciones a partir de las que se produce la congelación, ya que aparte de la temperatura ambiente, existe otro fenómeno poco conocido que puede tener también una gran influencia.

Durante las noches despejadas la bóveda celeste actúa como un cuerpo negro, absorbiendo la radiación térmica enviada por los colectores, que se enfrían llegando a situarse a una temperatura inferior a la ambiente, pudiendo llegar a la congelación aun cuando dicha temperatura sobrepase los 0 ºC.

Por lo tanto tendremos especial atención en la temperatura interna del absorbedor, esto se consigue con una sonda que mida la temperatura del fluido caloportador en el interior del absorbedor, si es cercana a 0 ºC (2 o 3 ºC) se pondrán en marcha los dispositivos de seguridad.

En todas las instalaciones para evitar el congelamiento se aumenta el margen de seguridad añadiendo anticongelante, que disminuye la temperatura de congelación del fluido caloportador. Ya no es 0 ºC (agua pura) sino algo menor, entre -4 y -12 ºC dependiendo qué grado de pureza en anticongelante tenga la mezcla final.

El método de protección estará en función del fluido caloportador utilizado y de las condiciones meteorológicas del lugar. Si las condiciones son benignas y el riesgo de congelación es escaso, se puede aceptar un gasto de energía relativamente importante para proteger los colectores, ya que los elementos de protección no funcionarán más que en ocasiones excepcionales. Estos no son caros y se instalan fácilmente, no representando un notable desembolso.

Si estamos en una región con condiciones climatológicas duras utilizaremos métodos que no consuman mucha energía, siendo los más habituales los siguientes:

  • Paro total de la instalación durante el invierno.
  • Calentamiento de los colectores por recirculación del fluido, tomando el calor del almacenamiento térmico o mediante una energía de apoyo.
  • Calentamiento de los colectores mediante una resistencia eléctrica.
  • Utilización de un fluido anticongelante.
  • Utilización de colectores capaces de soportar la congelación.
  • Vaciado de los colectores en caso de riesgo de congelación.

Para elegir el procedimiento, tendremos en cuenta dos aspectos:

  1. No basta con proteger los colectores, es preciso también eliminar el riesgo de congelación de las tuberías exteriores.
  2. Hay que considerar el riesgo de avería del dispositivo anticongelante o del corte en el suministro de la energía utilizada (corte de electricidad, por ejemplo) y evaluar las consecuencias.

DESCONEXIÓN Y PARO DE LA INSTALACIÓN DURANTE EL INVIERNO

Si estamos en un lugar donde la radiación solar es muy débil durante largos periodos, entonces lo más aconsejable será detener la instalación y vaciarla al comienzo de la estación fría, eliminando de esta forma el riesgo de congelación.
Esta solución se utiliza en instalaciones que solo se utilizan en verano.
Como inconveniente deberemos valorar que los circuitos vacíos tienen mayores riesgos de corrosión.

CALENTAMIENTO DE LOS COLECTORES POR RECIRCULACIÓN DEL FLUIDO

Otro método de protección contra la congelación es la recirculación del fluido caloportador frío del circuito primario hacia el depósito acumulador de ACS, el tiempo suficiente para que alcance una temperatura que evite la congelación.
Esto sucede cuando nuestra sonda de control del fluido en el absorbedor, detecta que la temperatura de este baja por debajo de 3 ºC, entonces el sistema de control pone en marcha el electrocirculador del circuito primario.
Para evitar pérdidas térmicas, tendremos que conseguir mantener la temperatura del fluido a la salida de los colectores por encima de la de congelación. Esto lo lograremos regulando el caudal, actuando sobre la velocidad de rotación del electrocirculador o sobre la válvula motorizada de paso variable montada a tal efecto. Si el electrocirculador es de velocidad constante, frenaremos la circulación del líquido por medio de una válvula.

Un caso particular es el del acumulador de agua caliente sanitaria, en cuya parte inferior se sitúa el intercambiador de energía solar y en la superior, la resistencia eléctrica de apoyo. Puede ocurrir que si no hay aporte de energía solar durante mucho tiempo, el agua situada en la parte inferior del acumulador que está en contacto con el serpentín del líquido caloportador no se calentará y por la noche, como el agua se estratifica en el acumulador en función de su temperatura, puede estar muy fría en la base del mismo, por lo que no calentará el fluido caloportador y no protegerá eficazmente contra la congelación. Este fenómeno no suele ser muy normal, pero si creemos que dicho riesgo fuera posible, entonces tendremos que colocar una segunda resistencia en la base del acumulador.

La resistencia calefactora calienta la base del acumulador de almacenamiento solar. Esta acción se regula mediante un termostato colocado en la misma base
La resistencia calefactora calienta la base del acumulador de almacenamiento
solar. Esta acción se regula mediante un termostato colocado en la misma base

Este sistema es adecuado para zonas climáticas en las que los períodos de baja temperatura sean de corta duración.
Se evitará, siempre que sea posible, la circulación de agua en el circuito secundario.

La estratificación del fluido en el depósito acumulador de ACS se debe a una disminución de la densidad, ya que esta es función de la temperatura, acumulándose el agua caliente
en la zona superior del acumulador y la fría más densa en la zona inferior si no existe agitación.
Esto se debe a que la transmisión de calor por convención en el propio liquido no es un fenómeno de transmisión de calor lo suficientemente rápido, se puede evitar introduciendo
agitadores, intercambiadores de calores internos bien diseñados, etc.
En general la estratificación será mayor (mayor diferencia de temperaturas) en depósitos con mayores alturas.

estratificación en un depósito de ACS y posible solución.
Estratificación en un depósito de ACS y posible solución.

CALENTAMIENTO DE LOS COLECTORES POR RESISTENCIA ELÉCTRICA

Para evitar el peligro de congelación también se puede usar una resistencia eléctrica que se encargará de calentar al fluido caloportador del absorbedor si fuese necesario, hay dos posibilidades para situarla: sobre el absorbedor, calentándolo o dentro del circuito para calentar al fluido caloportador.

UTILIZACIÓN DE AGUA CON ADITIVOS ANTICONGELANTES

Vamos a utilizar como fluido caloportador una mezcla de anticongelante y agua o un líquido orgánico, teniendo en cuenta todas las diferencias entre las propiedades físicas de estos líquidos y el agua que se vieron anteriormente.
Por ejemplo, la viscosidad puede ser muy alta si hace mucho frío, lo que va a provocar un incremento en las pérdidas de carga del circuito, modificando las condiciones de funcionamiento de la bomba, principalmente en el arranque.
Si hay mucha diferencia de altura entre los colectores y el punto más bajo del circuito primario puede producirse una disminución de la concentración de líquido anticongelante en lo alto del circuito, fenómeno conocido como decantación del anticongelante, dejando desprotegidos los colectores.

Los puntos más importantes a tener en cuenta en la utilización de anticongelante en un circuito son los siguientes:

  • Protección adecuada por la corrosión causada por el anticongelante y buscando que las juntas de unión resistan bien evitando así fugas. (Uso de los elementos del material conveniente y de calidad)
  • Deposito auxiliar para reponer pérdidas, en el que se almacenara una mezcla de anticongelante igual a la usada en el circuito, evitando así que la concentración de anticongelante en la instalación sea menor a la de diseño.
  • Dispositivos en el circuito que mantengan mezclado el anticongelante y válvulas de paso para el llenado de circuito para reponer pérdidas.

La utilización de anticongelante es la más extendida de todas las soluciones para evitar la congelación del fluido caloportador.

VACIADO DE LOS COLECTORES

Otro sistema para evitar la congelación es el vaciado del circuito primario de fluido caloportador.

Los dispositivos de seguridad para evitar la congelación del fluido caloportador se disparan cuando este baja de 3 ºC.

El vaciado del circuito se hará de forma manual o automática con una válvula de vaciado en la zona mas baja del circuito, por medio de un sistema de control.
Ten en cuenta que el fluido caloportador con anticongelante es algo caro, por lo cual el fluido del vaciado se dirigirá hacia un deposito auxiliar de almacenaje hasta que las condiciones ambientales sean otra vez optimas, en cuyo caso se recuperará otra vez para el circuito primario.
Si el vaciado lo hacemos automáticamente, mediante una electroválvula, conviene que, como medida de seguridad en caso de fallo del suministro de electricidad, el sistema se diseñe para provocar el vaciado automático.

El problema que suele tener este sistema es que favorece la corrosión, ya que el vaciado del agua del circuito va a provocar la entrada de aire. Si tenemos absorbedores de aluminio, lo mejor es no utilizar este sistema.
Si estamos en una zona en la que escasea el agua y tenemos una gran instalación, con la finalidad de evitar un gasto excesivo de la misma, diseñaremos un circuito abierto de forma que, al pararse la bomba, el agua se vierta directamente, por efecto de la gravedad, dentro de un recipiente que se situará debajo de la cota de los colectores. Este sistema nos obligará a utilizar un intercambiador de calor entre los colectores y el acumulador para mantener en este la presión de suministro de agua caliente.

 

Vaciado automático: la sonda antihielo actúa sobre la válvula de tres vías
Vaciado automático: la sonda antihielo actúa sobre la válvula de tres vías

Donde:

1 Colector.
2 Purgador o desaireador.
3 Regulador.
4 Válvula de tres vías.
5 Válvula de seguridad.
6-7-8 Sondas.
9 Electrocirculador.
10 Válvula antirretorno.
11 Rellenado.
12 Resistencia eléctrica.
Vaciado automático, con drenaje a un depósito abierto
Vaciado automático, con drenaje a un depósito abierto

Donde:

1 Colectores.
2 Regulador.
3 Depósito abierto.
4 Electrocirculador.
5 Rellenado.
6 Intercambiador.

Paro total de la instalación durante el invierno → Instalaciones que solo se utilizan en verano.

Calentamiento de colectores por recirculación de fluido. → Calentamiento al atravesar al almacenamiento.

Utilización de fluido anticongelante. → Solución más utilizada.

Vaciado de colectores. → Se producen entradas de aire, lo que favorece la corrosión.

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