Purgado de aire: ubicación de los elementos

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purgadores
22/03/2016

Este artículo es la continuación de dos artículos anteriores, el primero de ellos trata sobre la problemática del aire en las instalaciones y el segundo de ellos sobre cómo eliminar el aire en las instalaciones.

Este artículo final, realizado también por Eduardo Cortina de la empresa Sedical, trata sobre cual es el equipo ideal para el purgado de aire y la posición en la que funcionaría correctamente.

3. Elección de la mejor ubicación del desaireador automático “in-line”

3.1. Introducción

En general el punto de la instalación ideal para extraer el aire es el de mayor temperatura y menor presión (¡ siempre que ésta sea superior a la atmosférica !, ya que sino introduciríamos aire en la instalación en lugar de extraerlo). De estos 2 parámetros la temperatura es el más efectivo. Esto se debe al hecho de que la presión estática o altura de la instalación sobre el nivel del desaireador “in-line” está limitada a 15 m en calefacción y 5 m en frío.

ubicación-purgado

e-ficiencia-ubicación-desgasificador

 

Sólo hay 2 posiciones donde la mejor posición del desaireador es discutible. Pasemos a aclarar primero varios conceptos técnicos.

3.2. Conceptos técnicos básicos

Agitación: básicamente, sí se abre lentamente una botella de cerveza o de champagne, la presión disminuye, pero el gas no sale del líquido de manera inmediata. Sin embargo, si se agita ligeramente la botella se podrán ver numerosas burbujas saliendo directamente. Al agitar el medio, se acelera el proceso de transformación del gas disuelto en burbujas. Una bomba agita el medio fuertemente y provoca también esta transformación.

Agua sobrecalentada: cuando el agua se sobrecalienta (T > 100 ºC), la mayoría del aire se libera. Al comparar calefacción con refrigeración, existe una clara diferencia. En calefacción, el agua puede alcanzar temperaturas de hasta 140 ºC en la superficie del hogar de la caldera.

Una vez mezclada con el agua de las zonas centrales del hogar, sale de la caldera a, por ejemplo, 90 ºC.

Factor tiempo: empíricamente se sabe que para disolver el aire nuevamente en el agua se requiere tiempo. Hoy en día no existe aún una verdadera investigación científica rigurosa que pruebe qué parámetros intervienen y con qué grado de influencia actúan sobre la velocidad de disolución de burbujas de aire en agua. Spirotech ha contratado a una persona para su departamento de I+D, la cual está investigando este asunto en colaboración con la Universidad.

3.3. Mejor ubicación en calefacción (con caldera) con bomba en impulsión (fig. 4)

En este caso el agua pudiera ser sobrecalentada (dependiendo de la caldera y de cómo sea ajustado el sistema). De ser así, cabría esperar la presencia de un mayor número de burbujas de aire justo después de la caldera (punto A) a pesar de que la temperatura media sea 90 ºC.

Por ello, sería recomendable instalar el desaireador “in-line” en el punto A de la figura 4, lo más cerca posible de la caldera. Ahora bien, esto sólo puede hacerse si se está absolutamente seguro de que en el punto de instalación tendremos siempre presión positiva, de forma que se pueda llenar correctamente el desaireador y evitemos la entrada de aire en el circuito.
Puesto que no todas las burbujas llegarán disueltas al punto después de la bomba (también dependiendo de la distancia entre la caldera y la bomba), en caso de tener dudas sobre la presión positiva en el punto A, hemos de decidir instalar el desaireador automático “in-line” en el punto B.

3.4. Mejor ubicación en refrigeración con bomba en retorno (fig. 7)

Puesto que el agua no es sobrecalentada en los intercambiadores de un sistema de frío, no se libera un extra de aire del agua. Al no haber un cambio sustancial de la temperatura entre los puntos después del intercambiador y después de la bomba, no hay razón alguna para pensar que la cantidad de burbujas de aire decrezca. Incluso cuando la bomba tenga un alto Δp, las burbujas de aire no se disolverán en el agua de forma inmediata.

Por tanto, hasta que Spirotech termine su investigación para determinar la velocidad de disolución del aire en agua, en este tipo de sistemas (figura 7) es recomendable instalar el desaireador automático “in-line” después de la bomba (punto D). La ventaja radica en que la bomba agitará el medio lo cual obligará a un mayor número de burbujas a salir del agua.

3.5. Conclusión

Podemos concluir que instalar el desaireador después de la bomba es seguro en los 2 casos de discusión y proporciona un muy buen nivel de extracción de aire. De colocarse después de la bomba, en ambos casos ha de ser lo más cerca posible de ésta. La física nos podría hacer pensar que, en calefacción con caldera, instalar el desaireador “in-line” antes de la bomba (punto A, figura 4) nos permitiría eliminar más aire. Pero se ha de actuar con precaución ya que si el desaireador no es llenado de agua hasta el nivel de la válvula lateral de rebose (por existir presión negativa) introduciríamos aire en el sistema en lugar de expulsarlo hacia el exterior.

3.6. Calefacción a distancia: una excepción

Si nos encontramos en la configuración de la figura 4, pero el calor es introducido en el sistema por calefacción a distancia puede que no tengamos agua sobrecalentada. Si la temperatura del agua de calefacción es relativamente baja (ejemplo 70 ó 80 ºC) es mejor ubicar el desaireador en el punto B, ya que no podremos esperar la existencia de aire extra en el punto A.

4. Influencia de la altura de columna de agua en el desaireador automático “in-line”

Spirotech ha constatado en la práctica que la existencia de una altura aproximada superior a 15 m de columna de agua por encima del punto de instalación del desaireador “in-line” hace prácticamente imposible la eliminación total del aire de la instalación.

Ello es debido a que, por efecto de las bajas presiones en las zonas altas de la instalación, se establecen unos estados de aire disuelto en el agua inferiores al obtenido por el desaireador, por lo que el agua libera aire en estas zonas.
Trabajando con valores que no pretenden ser exactos, en este punto consideraremos una instalación ejemplo en la que veremos la razón por la cual existe dicha limitación física en el entorno de 15 m en los desaireadores “in-line”.

ubicación-desaireador

4.1. Razonamiento

Tomemos como ejemplo la instalación de la figura 8. Las figuras 9 y 10 muestran la evolución de presión y temperatura para los puntos estudiados. A partir de la combinación de presión y temperatura en cada punto, obtenemos los estados de equilibrio de aire disuelto (figura 11).

gráfica-evolución-presión

gráfica-evolución-temperatura

Aunque la temperatura media del agua a la salida de la caldera sea 90 ºC, la lámina de agua en contacto con la pared interior que separa el agua del hogar alcanza un sobrecalentamiento en el entorno de 140 ºC que le obliga a liberar aire hasta contener sólo alrededor de 40 laire/m3agua. Este es el único lugar de la instalación donde la liberación de aire se produce de forma brusca, en cantidad y concentrada en un punto, y es por tanto la ubicación ideal para eliminarlo con un solo equipo.

Aunque a la salida de la caldera la temperatura media sea 90 ºC, el aire liberado por la lámina de agua que ha estado a 140 ºC no ha tenido tiempo aún para redisolverse en el agua y viaja con ésta durante unos segundos en forma de microburbujas. En consecuencia, el desaireador automático “in-line”, instalado lo más cerca posible de la caldera es capaz de eliminar sucesivamente el aire de la instalación hasta mantener en el agua un contenido permanente de 40 laire/m3agua (figura 11).

gráfica-puntos-estudio

Figura 11 – Evolución de los estados de aire disuelto a lo largo de los puntos en estudio

Al alejarse el agua de la caldera en dirección a los elementos terminales, su contenido de aire (40 laire/m3agua) está por debajo del punto de equilibrio establecido por Henry para los lugares visitados, y por tanto el agua se vuelve ávida de aire, absorbiendo toda burbuja que encuentra a su paso. Como el agua llega a todos los rincones de la instalación, al buscar aire se convierte en un “barredor” inmejorable y va recogiendo todo el aire para llevarlo al desaireador “in-line” donde es expulsado a la atmósfera.
Sin embargo este proceso tiene su limitación. En efecto, a temperatura ≈ constante, a medida que el agua asciende por la instalación, su presión disminuye acercando el punto de equilibrio a los 40 laire/m3agua que el desaireador “in-line” había conseguido mantener desde la salida de la caldera (figura 11). En el entorno de los 15 m de altura desde el nivel del desaireador, el punto de equilibrio de aire comienza a estar por debajo de 40 laire/m3agua por lo que, en lugar de absorberlo, … ¡El agua libera aire! y los problemas asociados (ruidos, cavitación, corrosión, disminución de rendimientos, …) pueden tener lugar en cotas superiores (figura 11).

4.2. Conclusión

A partir de 15 m en calefacción (5 m en refrigeración) Spirotech ha demostrado en la práctica que los desaireadores automáticos “in-line” no son capaces de eliminar totalmente el aire de la instalación y hay que optar por la solución del desaireador por depresión (en paralelo) cuyo principio de operación es distinto y no se ve limitado por las alturas.

5. Influencia de las largas distancias en el desaireador automático “in-line”

5.1. Razonamiento

Consideremos la instalación de calefacción a distancia (90/70 ºC) de la figura 12, contemplando las posibilidades de que la bomba de primario esté en impulsión (BI) o esté en retorno (BR).

En calefacción a distancia los edificios no suelen superar las 4 plantas por lo que su altura no suele exceder los 15 m desde la ubicación de la sala de calderas. La particularidad de estos circuitos reside en que se distribuyen en distancias horizontales muy largas con grandes pérdidas de carga, lo cual obliga a utilizar bombas con elevada presión diferencial.

 

desaireador-distancias-largas

Las figuras 13 y 14 muestran la evolución de presión y temperatura en los puntos estudiados.

En instalaciones con sala de calderas en sótano y distribuidas en altura, el punto de mayor temperatura está en la caldera (140 ºC), mientras que el de menor presión se sitúa en la planta superior del edificio (figuras 9 y 10).

Sin embargo es importante diferenciar que en instalaciones de calefacción a distancia el punto
de menor presión se ubica en la aspiración de la bomba (figura 13).

gráfica-evolución-presión

gráfica-evolución-temperatura

Por ello, desde el punto de vista de la eliminación del aire, el ideal en calefacción a distancia es colocar la bomba en impulsión y el desaireador “in-line” entre la caldera y la bomba (siempre que el vaso de expansión garantice una presión positiva en el desaireador). De esta forma, como se aprecia en la figura 15, el agua de la instalación siempre se mantendrá ávida de aire, independientemente de las pérdidas de carga del circuito o, lo que es lo mismo, de la presión diferencial de la bomba.

Por el contrario, si la bomba está instalada en el retorno de la caldera, el desaireador está en presión (figura 13) y, en función de la presión diferencial de la bomba, podría ser incapaz de eliminar el aire del sistema ya que en las zonas cercanas a la aspiración de la bomba se podrían dar estados de equilibrio de aire disuelto en agua por debajo del estado de equilibrio establecido por el desaireador, y en consecuencia el agua ¡desprendería aire en lugar de absorberlo ! (figura 15).

evolución-estados-aire

5.2. Conclusión

Concretamente, en base a la Ley de Henry, para calefacción a distancia 90/70ºC y con la bomba en el retorno a caldera, de cara a la eliminación de aire con el desaireador “inline”, el límite admisible de Δp de la bomba estaría en el entorno de los 25 mca. Veamos por qué:

Punto de aspiración de la bomba colocada en retorno:
70 ºC y Pa (bar Abs.) ———————%1 (laire/m3agua)

Punto de ubicación del desaireador (salida de la caldera):
140 ºC y Pi (bar Abs.) ——————–%2 (laire/m3agua)

Condición límite para eliminar el aire del sistema: %2 < %1

Si nos vamos a la Ley de Henry, veremos que entre 70 ºC y 140 ºC, en función de la presión en el punto de aspiración de la bomba (Pa), tendremos los valores límite de presión en la salida de caldera (Pi) que cumplen esta condición límite %2 < %1.

Veamos:

tabla-presiones

6. Concepto de la limitación operativa del desaireador automático “in-line”

El desaireador automático “in-line” se instala lo más cerca posible del punto más caliente de la instalación y mantiene a lo largo de la misma el estado de equilibrio de aire disuelto en agua correspondiente a dicho punto.

A medida que el agua viaja por la instalación su presión aumenta ó disminuye en función de la altura de columna de agua, las pérdidas de carga y la existencia de bombas. Si en cualquier lugar de la instalación se da una combinación “presión absoluta / temperatura” que cree un estado de equilibrio de aire disuelto por debajo del fijado por el desaireador, el agua liberará aire y los problemas derivados del aire no quedarán resueltos.

Este concepto es aplicable a cualquier tipo de instalación: verticales, horizontales, calefacción a distancia, etc.

7. Desaireador automático por depresión: funcionamiento e influencia sobre la presión del circuito

7.1. Funcionamiento del desaireador automático por depresión Spirovent Superior

En la figura 16 vemos los elementos principales que componen el Spirovent Superior. En el detalle de conexión al circuito se indica que la conexión no se hará nunca en la parte inferior de la tubería, sino en la parte lateral. La razón es evitar la entrada de cualquier suciedad al Spirovent Superior, lo cual podría dañar la válvula (1).

Las fases de funcionamiento son las siguientes:

A. La válvula (1) abre y la bomba (4) arranca. Durante el tiempo que esté trabajando el Superior, la bomba (4) siempre está en marcha (en continuo). Una parte del agua de la instalación fluye a través del Superior, impulsada por la bomba (4).

B. El control cierra bruscamente la válvula (1), totalmente estanca. Como la bomba (4) sigue bombeando, crea un descenso progresivo de la presión en el depósito (2) hasta alcanzar la presión mínima programada (tarda aproximadamente 30 seg.). Por efecto de la disminución de presión (a T ºC constante) se libera del agua un volumen importante de aire.

Por ejemplo, en el modelo S6-H, con agua a 60 ºC, si disminuye la presión de 6 a 1 bar, se habrán liberado 61 litros de aire por m3 de agua.

spirovent-superior

La liberación de aire dentro del depósito (2) se produce íntegramente en esta fase B. Sin embargo, la expulsión de dicho aire hacia el exterior tiene lugar en 2 momentos distintos. La primera expulsión (la menor) se produce al final de esta fase B, ya que al liberarse aire baja el nivel de líquido dentro del depósito (2) y la válvula del purgador abre paso, hasta que la presión del depósito se iguala con la presión del ambiente, momento en el cual deja de salir aire (incluso puede entrar un pequeño volumen en el último momento de esta fase (no es problema ya que sería inmediatamente expulsado).

C El control abre bruscamente la válvula (1) y el agua de la instalación (que estará por ejemplo a 6 bar) entra al depósito (2) ya que éste se encuentra a una presión muy baja (en nuestro ejemplo 1 bar). En este instante suceden 2 efectos:

C.1. El agua entrante empuja al agua del depósito (2) (libre de aire), que es introducida de nuevo a la instalación a través de la bomba (4).

C.2. El agua entrante “empuja” al aire contenido en el depósito (2) que sale al exterior a través del purgador.

Transcurridos unos segundos y una vez llenado el depósito con agua “a tratar” procedente de la instalación, el proceso comienza nuevamente.

7.2. Influencia del desaireador automático por depresión sobre la presión de la instalación Debido al principio de operación de este desaireador, la instalación experimenta unos descensos bruscos de presión coincidiendo con la apertura de la válvula del desaireador. Estas caídas de presión, aunque cortas en el tiempo, pueden llegar a saltar dispositivos de seguridad del sistema, por lo que han de ser tenidas en cuenta a la hora de poner en marcha los vasos de expansión con compresor u otros elementos de la regulación que pudieran verse afectados.

Para minorar este problema en las instalaciones donde se instale el desaireador automático por depresión, se deben tomar dos medidas: hacer la tubería de expansión con diámetro un orden de magnitud superior al normal (si sale DN25 hacer en DN32) y situar el desaireador por depresión en la línea de retorno lo más alejado posible de la conexión del vaso de expansión.

8. Desaireadores automáticos: otros aspectos a tener en cuenta

8.1. Instalaciones de frío con agua glicolada

Muchos desaireadores “in-line” están siendo instalados en sistemas de refrigeración. Aunque normalmente se pueden añadir una amplia variedad de inhibidores al líquido refrigerante, la utilización del desaireador “in-line” no causará ningún problema y ofrece dos ventajas:

  1. Se formará menos espuma ya que el desaireador “in-line” eliminará de manera inmediata las grandes burbujas de aire. Esto agiliza notablemente la puesta en marcha de la instalación.
  2. Desaireación automática permanente del sistema.

Podría suceder que, debido a la espuma generada en el agua glicolada, la válvula de desaireación comenzara a gotear. En este caso, deberá reemplazarse la cabeza de desaireación completa, lo cual es fácil de realizar. En el caso de aplicar el Spirovent “inline” en sistemas de refrigeración, Spirotech recomienda bien utilizar la unidad combinada Aire/Lodos (unidad “inline”) o el Spirovent Superior en combinación de un Spirovent Lodos.

8.2. Agua sobrecalentada

Si vamos a instalar un desaireador automático (“in-line” o por depresión) en una instalación con agua sobrecalentada (temp.>100 ºC) habremos de tener en cuenta que este agua vaporiza a presiones superiores a la atmosférica y por tanto corremos el riesgo de alcanzar la presión de vaporización y expulsar al exterior agua por el desaireador en forma de vapor.

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