Introducción
Los calentadores de agua eléctricos son frecuentemente utilizados en entornos domésticos para proporcionar agua caliente a edificios residenciales y pequeños comercios. Una alternativa común, y generalmente más antigua, a un calentador de agua eléctrico es un calentador de agua a gas, que utiliza gas para generar calor en lugar de electricidad. Los calentadores de agua suelen instalarse en el sótano o bodega de un edificio. Calientan agua para su uso en fregaderos de cocina, duchas de baño y cualquier otro lugar donde se requiera agua caliente.
Sistema de Agua Caliente
Los calentadores de agua eléctricos típicamente calientan el agua mediante elementos resistivos alimentados por electricidad. Sin embargo, existen otros diseños de calentadores de agua eléctricos, como el caldero de electrodos, pero no se utilizan para aplicaciones de agua caliente doméstica. Debido a que los calentadores de agua tipo resistor utilizan elementos resistivos, también se les conoce como calentadores de agua de resistencia eléctrica.
Funcionamiento de los Calentadores de Agua Eléctricos
El agua fría se introduce en el fondo del tanque del calentador a través de un tubo de inmersión y luego se calienta mediante resistencias eléctricas. A medida que el agua se calienta, sube a la parte superior del tanque debido a la convección natural y se descarga a través de la salida de agua caliente para su uso en otras partes del edificio.
Partes del Calentador de Agua Eléctrico
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Componentes del Calentador de Agua Eléctrico
Tanque del Calentador y Aislamiento
El tanque del calentador generalmente está fabricado de acero inoxidable, con su superficie interna protegida por un revestimiento de vidrio o esmalte. Los revestimientos a base de polímeros se utilizan en algunos modelos más nuevos, pero no son comunes.
El tanque está rodeado por aislamiento para reducir la cantidad de calor que se pierde al aire circundante, aumentando así su eficiencia. La imagen a continuación muestra aislamiento de fibra de vidrio, que es un tipo común de aislamiento térmico.
Aislamiento Térmico
Entrada de Agua Fría y Tubo de Inmersión
El agua fría se introduce en el calentador de agua a través de la entrada de agua fría, fluyendo a través del tubo de inmersión hasta el fondo del tanque. Considerando el proceso de convección natural, introducir agua más fría en el fondo del tanque asegura que suba naturalmente a la parte superior del tanque a medida que su temperatura aumenta; esto ocurre porque la densidad del agua disminuye a medida que su temperatura aumenta. La convección también dicta que la temperatura del agua variará a diferentes niveles en el tanque, con el agua más fría acumulándose en el fondo del tanque y la más caliente en la parte superior.
Variación de Temperatura del Calentador de Agua
La entrada de agua fría incluirá una válvula, típicamente una válvula de bola, para controlar el agua que se introduce en el tanque. Las válvulas de bola (también conocidas como válvulas de cuarto de vuelta) se utilizan porque son simples y de acción rápida.
Válvula de Bola
Salida de Agua Caliente
Una vez que el agua en el tanque está caliente, sale del tanque a través de la salida de agua caliente. La salida de agua caliente también tendrá su propia válvula para que el calentador de agua pueda ser hidráulicamente aislado; esto se logra cerrando las válvulas de entrada y salida en el calentador de agua.
Elementos de Calentamiento
Los elementos de calentamiento están instalados perpendicularmente a la longitud del tanque. Cada elemento de calentamiento consta de un resistor eléctrico alojado dentro de un tubo conductor de calor y conectado a un suministro eléctrico externo. La corriente eléctrica fluye a través del resistor y se genera calor debido a la alta resistencia (medida en ohmios); el calor generado se transfiere al agua que rodea el tubo del resistor.
En calentadores de agua a gas, se utiliza un quemador de gas para calentar el agua. Los calentadores de agua a gas están diseñados de manera diferente ya que requieren tanto una vía de escape como una entrada de aire. El área de intercambio de calor dentro de un calentador de agua a gas es más grande que la de un calentador de resistor eléctrico, debido al gran conducto de gases de escape dentro del calentador.
Elementos Resistivos
Termostato
Un calentador de agua eléctrico incluye al menos un termostato que se utiliza para controlar la temperatura del agua en el tanque; logra esto controlando cuándo se encienden y apagan los elementos de calentamiento. Si cada resistor tiene su propio termostato, el resistor superior generalmente se configura para encenderse a una temperatura más alta que el resistor inferior; esta configuración permite la diferencia de temperatura que generalmente existe dentro del tanque (ambos calentadores se encienden al mismo tiempo si se tiene en cuenta la diferencia de temperatura en el tanque, en lugar de que el calentador inferior siempre se encienda primero porque la parte inferior del tanque tiene una temperatura más baja). Encender y apagar los resistores en el momento correcto lleva a un desgaste uniforme en los resistores, lo que significa que todos los resistores pueden mantenerse en el mismo intervalo.
La temperatura del agua dentro de un tanque de calentador de agua suele ser de 50°C (120F), pero esto varía dependiendo de la temperatura deseada y para qué aplicación.
Termostato
Purga de Aire
Aunque no está presente en todos los modelos de calentadores de agua eléctricos, se puede utilizar una purga de aire para liberar aire del tanque; por ejemplo, después de realizar un mantenimiento. Si no hay una válvula de purga de aire, se puede purgar el aire del tanque mediante:
- Aflojando las conexiones de la entrada de agua fría, o la salida de agua caliente, o el ánodo de sacrificio.
- Llenando el tanque con agua hasta que el agua salga por la parte superior del tanque a través de las conexiones aflojadas.
- Volviendo a apretar las conexiones para evitar que entre más aire en el sistema.
Es posible ventilar el aire en el punto de uso, aunque a menudo lleva tiempo purgar completamente el aire del sistema (el flujo de agua errático y salpicante es el resultado). Un método alternativo es utilizar una válvula de purga automática; estas a menudo se instalan en varias posiciones dentro de sistemas de agua más grandes para asegurar que el aire se purgue continuamente del sistema.
Válvula de Alivio de Temperatura/Presión
Una válvula de temperatura/presión (válvula TPR) se instala cerca de la parte superior del tanque. La válvula TPR se abrirá si el agua en el tanque alcanza una temperatura demasiado alta, o si ocurre una sobrepresurización (la presión se vuelve demasiado alta). En cualquiera de estas circunstancias, la válvula se abre y libera agua a través de un tubo de drenaje. El propósito del tubo de drenaje es proteger a cualquier persona que trabaje cerca que de otro modo podría haber sido quemada por el agua caliente descargada.
La válvula de alivio de temperatura/presión (TPR) se puede probar levantando su palanca, aunque esto solo prueba el mecanismo de operación y no los puntos de ajuste correctos de sobretemperatura y sobrepresión.
Válvula de Alivio de Temperatura/Presión con Palanca Destacada
Ánodo de Sacrificio
Junto al tubo de inmersión hay una varilla de forma cilíndrica larga; este es el ánodo de sacrificio. El ánodo se corroe con el tiempo, evitando que ocurra corrosión galvánica en superficies metálicas más vitales -y costosas-. Los ánodos de sacrificio generalmente están fabricados de magnesio, aluminio, zinc, o una aleación de los tres; el material del ánodo rodea una varilla de acero que está instalada a lo largo del eje central del ánodo.
Los ánodos se utilizan para muchas otras aplicaciones porque la corrosión galvánica ocurre siempre que dos metales están conectados eléctricamente y hay un electrolito presente. Las aplicaciones comunes incluyen la protección de tuberías y la protección de barcos.
Ánodos Protegiendo Partes de Barcos de la Corrosión Galvánica
Válvula de Drenaje
Una válvula de drenaje se puede encontrar en la parte inferior del tanque de calentamiento; esta generalmente será una válvula de bola. La válvula de drenaje se utiliza para drenar agua del tanque, por ejemplo, cuando se necesita realizar mantenimiento. Como la válvula está en la parte inferior del tanque, se puede utilizar para eliminar cualquier sedimento e.g. escala, óxido, pedazos de ánodo corroído etc. que se han acumulado en la base del tanque. Eliminar sedimentos del fondo del tanque es una buena práctica y debería ocurrir periódicamente e.g. cada 6 meses. El proceso de eliminar sedimentos a menudo se refiere como 'lavado' porque el sedimento literalmente se 'lava' fuera del sistema.
Problemas Comunes y Solución de Problemas
Tubo de Inmersión Roto
Un tubo de inmersión puede romperse y desprenderse de la parte superior del tanque de calentamiento, luego caer al fondo del tanque. En consecuencia, el agua fría entrará en la parte superior del tanque del calentador en lugar de en el fondo, y, si no permanece en el tanque el tiempo suficiente para calentarse, será eliminada por la salida de agua caliente para su distribución a los grifos de agua caliente del edificio.
Tubo de Inmersión Adjunto y Desprendido
Cómo Reemplazar un Tubo de Inmersión Roto
Para reemplazar un tubo de inmersión, el calentador de agua debe ser aislado eléctrica e hidráulicamente (apagado y las válvulas de entrada y salida de agua cerradas). Las bombas de agua caliente que extraen del calentador de agua deben apagarse. La presión del agua dentro del tanque debe aliviarse abriendo lentamente la válvula de drenaje. Una vez que se alivia la presión, cierre la válvula de drenaje y desconecte la tubería de entrada de agua fría para que el tubo de inmersión pueda ser removido y reemplazado. Después del reemplazo, ventile el aire (purgue el aire) y vuelva a poner el calentador en servicio.
Ánodo Corroído
El ánodo de sacrificio de un calentador debe ser monitoreado, ya que se corroerá con el tiempo. El ánodo debe ser evaluado visualmente periódicamente y reemplazado cuando quede poco del ánodo. Dejar un ánodo por demasiado tiempo entre reemplazos puede causar que la varilla de acero en el medio quede expuesta, lo que puede ser un signo de que no se está proporcionando una protección adecuada a las superficies metálicas dentro del calentador. La imagen a continuación muestra un ánodo nuevo comparado con uno que ha sido corroído/desgastado; la varilla de acero se puede ver como una pieza delgada de metal cilíndrico en el ánodo desgastado.
Ánodo Nuevo y Corroído Comparado
Cómo Reemplazar el Ánodo del Calentador de Agua
Para reemplazar el ánodo, el calentador debe ser hidráulicamente aislado cerrando las válvulas de entrada y salida, para que no entre ni salga agua del calentador. Las bombas de agua caliente que extraen del calentador de agua deben apagarse antes de la aislamiento hidráulico. Los elementos de calentamiento deben apagarse, y la presión dentro del calentador debe liberarse a través del drenaje. La tapa del ánodo en la parte superior del tanque del calentador puede entonces aflojarse para que el ánodo pueda ser levantado/retirado del calentador. Una vez que se retira el ánodo, su cuerpo se puede girar en sentido antihorario para desenroscar la varilla de acero de la tapa, luego se puede instalar un nuevo ánodo y volver a ensamblar el calentador.
Acumulación de Cal
Una acumulación de cal (carbonato de calcio) y otros minerales solidificados dentro del calentador, es común en cualquier aparato que use agua; estos minerales solubles se separan del agua y se solidifican en superficies dentro del aparato. Escala es otro término utilizado para depósitos minerales solidificados dentro de un sistema de agua; la escala consiste en muchos minerales, mientras que la cal se refiere solo al carbonato de calcio.
La acumulación de escala y cal es especialmente problemática en los elementos de calentamiento de un calentador de agua. La escala actúa como un aislante térmico, absorbiendo el calor generado por los elementos de calentamiento, pero transfiriendo poco de él al agua circundante. Esto puede llevar a puntos calientes en el elemento de calentamiento donde se sobrecalienta mientras intenta calentar el agua a la temperatura deseada. Este uso ineficiente de la energía eléctrica no solo puede llevar a facturas de electricidad más altas, sino que también puede causar que los elementos de calentamiento se rompan y fallen; el elemento de calentamiento fallido debe ser reemplazado.
Otro componente que es vulnerable a la acumulación de escala es la válvula de alivio de temperatura/presión. Si esto ocurre, el mecanismo de operación de la válvula puede atascarse, fallando en abrirse a la temperatura o presión correcta. Esto puede llevar a que el agua en el tanque esté muy caliente, o a que el exceso de presión se vea obligado a escapar del tanque en otra parte del sistema de agua, potencialmente dañando otros componentes y uniones de tuberías.
Elemento de Calentamiento Cubierto de Cal/Escala
Recursos Adicionales
https://en.wikipedia.org/wiki/Water_heating
https://energyeducation.ca/encyclopedia/Domestic_water_heating