Sistema de aquecimento com circulação natural: esquemas comuns de circuitos de água

A construção de uma rede de aquecimento autônoma do tipo gravitacional é escolhida quando não é viável, e às vezes impossível, instalar uma bomba de circulação ou conectar-se ao fornecimento centralizado de eletricidade.

Tal sistema é mais barato de instalar e completamente independente da eletricidade. No entanto, sua operacionalidade depende em grande parte da precisão do projeto.

Para que o sistema de aquecimento com circulação natural funcione ininterruptamente, é necessário calcular seus parâmetros, instalar corretamente os componentes e escolher adequadamente o esquema do circuito de água. Nós ajudaremos na solução dessas questões.

Descrevemos os principais princípios de funcionamento do sistema gravitacional, fornecemos dicas sobre a escolha da tubulação, definimos as regras de montagem do circuito e posicionamento dos componentes de trabalho. Dedicamos atenção especial às características de projeto e funcionamento dos esquemas de aquecimento de um e dois tubos.

Princípios do processo de circulação natural

O processo de movimento da água no circuito de aquecimento sem o uso de bomba de circulação ocorre devido às leis físicas naturais.

Compreender a natureza desses processos permitirá desenvolver adequadamente um projeto de sistema de aquecimento para casos típicos e atípicos.

Diferença máxima de pressão hidrostática

A principal propriedade física de qualquer fluido térmico (água ou anticongelante) que favorece seu movimento no circuito por circulação natural é a redução da densidade com o aumento da temperatura.

A densidade da água quente é menor que a da água fria, portanto, surge uma diferença na pressão hidrostática entre as colunas de líquido quente e frio. A água fria, ao descer para o trocador de calor, empurra a água quente para cima no tubo.

A força motriz da água no circuito em circulação natural é a diferença de pressão hidrostática entre as colunas de líquido frio e quente

O circuito de aquecimento da casa pode ser dividido condicionalmente em vários fragmentos. Nos fragmentos “quentes”, a água é direcionada para cima, e nos “frios”, para baixo. Os limites dos fragmentos são os pontos superior e inferior do sistema de aquecimento.

A principal tarefa ao modelar um sistema com circulação natural de água é alcançar a maior diferença possível entre a pressão da coluna de líquido nos fragmentos “quente” e “frio”.

O elemento clássico do circuito de água para circulação natural é o coletor de aceleração (riser principal) – um tubo vertical direcionado para cima a partir do trocador de calor.

O coletor de aceleração deve ter a temperatura máxima, por isso é isolado em toda a sua extensão. No entanto, se a altura do coletor não for grande (como em casas térreas), o isolamento pode não ser necessário, pois a água não terá tempo de esfriar.

Normalmente, o sistema é projetado de forma que o ponto superior do coletor de aceleração coincida com o ponto superior de todo o circuito. Lá é instalada uma saída para um tanque de expansão de tipo aberto ou uma válvula para remoção de ar, se for usado um tanque de membrana.

Assim, o comprimento do fragmento “quente” do circuito é o mínimo possível, o que leva à redução das perdas de calor nesta seção.

Também é desejável que o fragmento “quente” do circuito não se combine com um longo trecho que transporta o fluido térmico resfriado. Idealmente, o ponto inferior do circuito de água coincide com o ponto inferior do trocador de calor, colocado no dispositivo de aquecimento.

Quanto mais baixa estiver a caldeira no sistema de aquecimento, menor será a pressão hidrostática da coluna de líquido no fragmento quente do circuito

Para o segmento “frio” do circuito de água, também existem regras próprias que aumentam a pressão do líquido:

• quanto maior a perda de calor na seção “fria” da rede de aquecimento, menor a temperatura da água e maior sua densidade, portanto, o funcionamento de sistemas com circulação natural só é possível com uma transferência de calor significativa;
• quanto maior a distância do ponto inferior do circuito até a conexão dos radiadores, maior a seção da coluna de água com temperatura mínima e densidade máxima.

Para garantir o cumprimento da última regra, frequentemente o fogão ou a caldeira são instalados no ponto mais baixo da casa, por exemplo, no porão. Com essa colocação da caldeira, garante-se a maior distância possível entre o nível inferior dos radiadores e o ponto de entrada da água no trocador de calor.

No entanto, a altura entre os pontos inferior e superior do circuito de água na circulação natural não deve ser muito grande (na prática, não mais de 10 metros). O fogão ou a caldeira aquecem apenas o trocador de calor e a parte inferior do coletor de aceleração.

Se esse fragmento for insignificante em relação a toda a altura do circuito de água, a queda de pressão no fragmento “quente” do circuito será insignificante e o processo de circulação não será iniciado.

O uso de sistemas com circulação natural para edifícios de dois andares é bastante justificado, mas para maior número de andares será necessária uma bomba de circulação

Minimização da resistência ao movimento da água

Ao projetar um sistema com circulação natural, é necessário considerar a velocidade de movimento do fluido térmico pelo circuito.

Primeiramente, quanto mais rápida a velocidade, mais rápida será a transferência de calor através do sistema “caldeira – trocador de calor – circuito de água – radiadores de aquecimento – ambiente”.

Em segundo lugar, quanto mais rápida a velocidade do líquido através do trocador de calor, menor a probabilidade de sua ebulição, o que é especialmente importante no aquecimento a fogão.

A ebulição da água no sistema pode sair muito cara – o custo de desmontagem, reparo e reinstalação do trocador de calor exige muito tempo e recursos

Em sistemas de aquecimento com circulação forçada, a velocidade do movimento da água depende principalmente dos parâmetros da bomba de circulação.

No aquecimento de água com circulação natural, a velocidade depende dos seguintes fatores:

• diferença de pressão entre os fragmentos do circuito em seu ponto inferior;
• resistência hidrodinâmica do sistema de aquecimento.

Os métodos para garantir a máxima diferença de pressão foram discutidos acima. A resistência hidrodinâmica de um sistema real não pode ser calculada com precisão devido ao modelo matemático complexo e ao grande número de dados de entrada, cuja precisão é difícil de garantir.

No entanto, existem regras gerais que, se seguidas, permitirão reduzir a resistência do circuito de aquecimento.

As principais causas da redução da velocidade da água são a resistência das paredes dos tubos e a presença de estreitamentos devido a conexões ou válvulas de fechamento. Com baixa velocidade de fluxo, a resistência das paredes é praticamente inexistente.

A exceção são os tubos longos e finos, típicos do aquecimento por piso aquecido. Geralmente, circuitos separados com circulação forçada são alocados para ele.

Ao escolher os tipos de tubos para um circuito de circulação natural, será necessário considerar a presença de estreitamentos técnicos durante a instalação do sistema. Portanto, tubos metaloplásticos não são recomendados para circulação natural de água devido à sua conexão com conexões de diâmetro interno significativamente menor.

As conexões dos tubos metaloplásticos estreitam um pouco o diâmetro interno e representam um sério obstáculo para a água com baixa pressão (+)

Regras de seleção e instalação de tubos

A escolha entre tubos de aço ou tubos de polipropileno em qualquer tipo de circulação é feita com base na possibilidade de uso para água quente, bem como em termos de preço, facilidade de instalação e vida útil.

A coluna de alimentação é montada com tubo metálico, pois por ela passa água de temperatura mais alta, e no caso de aquecimento a lenha ou mau funcionamento do trocador de calor, é possível a passagem de vapor.

Na circulação natural, é necessário usar um diâmetro de tubo um pouco maior do que no caso de uma bomba de circulação. Geralmente, para aquecimento de ambientes de até 200 m², o diâmetro do coletor de aceleração e do tubo de entrada do retorno no trocador de calor é de 2 polegadas.

Isso se deve à menor velocidade da água em comparação com a circulação forçada, o que leva aos seguintes problemas:

• redução do volume de calor transferido por unidade de tempo da fonte para o ambiente aquecido;
• aparecimento de obstruções ou bolsas de ar, com as quais uma pequena pressão não consegue lidar.

Atenção especial deve ser dada ao problema da remoção de ar do sistema ao usar circulação natural com esquema de alimentação inferior. Ele não pode ser completamente removido do fluido de transferência de calor através do tanque de expansão, porque a água em ebulição primeiro entra nos dispositivos através de uma tubulação localizada abaixo deles.

Na circulação forçada, a pressão da água empurra o ar para o coletor de ar instalado no ponto mais alto do sistema – um dispositivo com controle automático, manual ou semiautomático. Com a ajuda das válvulas de purga geralmente é feita a regulação da transferência de calor.

Em redes de aquecimento por gravidade com alimentação localizada abaixo dos aparelhos, as válvulas de purga são utilizadas diretamente para a liberação de ar.

Em todos os radiadores de aquecimento modernos, existem dispositivos para a liberação de ar, portanto, para evitar a formação de bolsas de ar no circuito, pode-se fazer uma inclinação, empurrando o ar para o radiador.

O ar também pode ser removido por meio de dispositivos de purga instalados em cada coluna ou na linha de ar disposta paralelamente às tubulações principais do sistema. Devido à grande quantidade de dispositivos de purga de ar, os esquemas por gravidade com distribuição inferior são usados muito raramente.

Com baixa pressão, uma pequena bolsa de ar é capaz de parar completamente o sistema de aquecimento. Assim, de acordo com a SNiP 41-01-2003, não é permitido instalar tubulações de sistemas de aquecimento sem inclinação quando a velocidade da água for inferior a 0,25 m/s.

Com circulação natural, essas velocidades são inatingíveis. Portanto, além de aumentar o diâmetro dos tubos, é necessário manter inclinações constantes para remover o ar do sistema de aquecimento. A inclinação é projetada na proporção de 2 a 3 mm por metro; em redes residenciais, a inclinação chega a 5 mm por metro linear de linha horizontal.

A inclinação da alimentação é feita no sentido do fluxo da água, para que o ar se mova em direção ao tanque de expansão ou ao sistema de purga de ar localizado no ponto mais alto do circuito. Embora seja possível fazer uma contra-inclinação, nesse caso é necessário instalar adicionalmente uma válvula de purga de ar.

A inclinação da tubulação de retorno geralmente é feita no sentido do fluxo da água resfriada. Assim, o ponto mais baixo do circuito coincidirá com a entrada do tubo de retorno no gerador de calor.

A combinação mais comum de direção da inclinação dos tubos de alimentação e retorno para remover bolsas de ar do circuito de água com circulação natural

Ao instalar piso aquecido de pequena área em um circuito com circulação natural, é necessário evitar a entrada de ar nos tubos estreitos e horizontais deste sistema de aquecimento. É necessário instalar um dispositivo de purga de ar antes do piso aquecido.

Esquemas de aquecimento de um e dois tubos

Ao desenvolver um esquema de aquecimento para uma casa com circulação natural de água, é possível projetar um ou vários circuitos independentes. Eles podem diferir significativamente uns dos outros. Independentemente do comprimento, do número de radiadores e de outros parâmetros, são executados em um esquema monotubo ou bitubo.

Circuito utilizando uma única linha principal

O sistema de aquecimento que usa o mesmo tubo para fornecer água sequencialmente aos radiadores é chamado de monotubo. A opção monotubo mais simples é o aquecimento com tubos metálicos sem o uso de radiadores.

Esta é a maneira mais barata e menos problemática de aquecer a casa ao optar pela circulação natural do fluido térmico. A única desvantagem significativa é a aparência dos tubos volumosos.

Na opção mais econômica do esquema monotubo com radiadores de aquecimento, a água quente flui sequencialmente através de cada dispositivo. Aqui, é necessário um número mínimo de tubos e válvulas de fechamento.

À medida que passa, o fluido térmico esfria, portanto os radiadores subsequentes recebem água mais fria, o que deve ser considerado no cálculo do número de seções.

O esquema monotubo simples (acima) requer um mínimo de trabalho de instalação e investimento. A opção mais complexa e cara abaixo permite desligar radiadores sem parar todo o sistema

A maneira mais eficiente de conectar aparelhos de aquecimento a uma rede monotubo é considerada a opção diagonal.

De acordo com este esquema de circuitos de aquecimento com circulação natural, a água quente entra no radiador por cima e, após resfriamento, é descarregada através do tubo localizado na parte inferior. Ao passar dessa forma, a água aquecida libera a máxima quantidade de calor.

Com a conexão inferior ao radiador tanto do tubo de entrada quanto do de saída, a transferência de calor diminui significativamente, porque o fluido térmico aquecido precisa percorrer o caminho mais longo possível. Devido ao resfriamento significativo, em tais esquemas não são usados radiadores com um grande número de seções.

A 'Leningradka' caracteriza-se por perdas térmicas consideráveis, que devem ser levadas em conta no cálculo do sistema. Sua vantagem é que, ao usar válvulas de fechamento no tubo de entrada e saída, os aparelhos podem ser desligados seletivamente para reparo sem interromper o ciclo de aquecimento (+)

Os circuitos de aquecimento com esse tipo de conexão de radiadores receberam o nome “Leningradka“. Apesar das perdas de calor mencionadas, eles são preferidos na configuração de sistemas de aquecimento de apartamentos, devido à aparência mais estética da tubulação.

Uma desvantagem significativa das redes de tubo único é a impossibilidade de desligar uma das seções de aquecimento sem interromper a circulação de água por todo o circuito.

Por isso, normalmente é utilizada uma modernização do esquema clássico com a instalação de “bypass” para contornar o radiador através de uma derivação com duas válvulas esféricas ou uma válvula de três vias. Isso permite regular o fornecimento de água ao radiador, até seu desligamento completo.

Para edifícios de dois ou mais andares, são utilizadas variantes do esquema de tubo único com colunas verticais. Nesse caso, a distribuição de água quente é mais uniforme do que com colunas horizontais. Além disso, as colunas verticais são menos extensas e se integram melhor ao interior da casa.

O esquema de tubo único com distribuição vertical é aplicado com sucesso no aquecimento de ambientes de dois andares utilizando circulação natural. É apresentada uma variante com a possibilidade de desligar os radiadores superiores.

Variante com aplicação de tubo de retorno

Quando um tubo é usado para fornecer água quente aos radiadores e o segundo para desviar a água resfriada para a caldeira ou fogão, esse esquema de aquecimento é chamado de dois tubos. Esse sistema, quando há radiadores de aquecimento, é usado com mais frequência do que o de tubo único.

É mais cara, pois requer a instalação de um tubo adicional, mas tem uma série de vantagens significativas:

• distribuição mais uniforme da temperatura do fluido térmico fornecido aos radiadores;
• cálculo mais simples da dependência dos parâmetros dos radiadores em relação à área do ambiente aquecido e aos valores de temperatura necessários;
• regulação mais eficiente do fornecimento de calor para cada radiador.

Dependendo da direção do movimento da água resfriada em relação à quente, os sistemas de dois tubos são divididos em sistemas de fluxo direto e sem saída. Nos esquemas de fluxo direto, o movimento da água resfriada ocorre na mesma direção que a água quente, portanto o comprimento do ciclo para todo o circuito coincide.

Nos esquemas sem saída, a água resfriada se move em direção oposta à água quente, portanto, para diferentes radiadores, os comprimentos dos ciclos de rotação do fluido térmico diferem. Como a velocidade no sistema é baixa, o tempo de aquecimento pode diferir significativamente. Os radiadores com menor comprimento de ciclo de circulação de água serão aquecidos mais rapidamente.

Ao escolher esquemas de aquecimento sem saída e de fluxo direto, considera-se principalmente a conveniência de instalação do tubo de retorno.

Existem dois tipos de posicionamento da tubulação em relação aos radiadores de aquecimento: superior e inferior. Na tubulação superior, o tubo que fornece água quente fica acima dos radiadores de aquecimento, enquanto na tubulação inferior fica abaixo.

Com a alimentação inferior, é possível remover o ar através dos radiadores e não há necessidade de passar tubos por cima, o que é bom do ponto de vista do design do ambiente.

No entanto, sem o coletor de aceleração, a diferença de pressão será muito menor do que com a alimentação superior. Portanto, a alimentação inferior praticamente não é utilizada no aquecimento de ambientes pelo princípio da circulação natural.

Conclusões e vídeo útil sobre o tema

Organização de um esquema monotubo com base em caldeira elétrica para uma casa pequena:

Funcionamento de um sistema bitubo para uma casa de madeira de um piso com base em caldeira de combustível sólido de combustão prolongada:

O uso da circulação natural no movimento da água no circuito de aquecimento exige cálculos precisos e execução tecnicamente competente dos trabalhos de instalação. Cumprindo essas condições, o sistema de aquecimento aquecerá adequadamente os ambientes de uma casa particular e livrará os proprietários do ruído da bomba e da dependência da eletricidade.

Se surgirem dúvidas sobre o tema ou houver desejo de compartilhar experiência pessoal sobre a organização e operação de um sistema de aquecimento do tipo gravitacional, por favor, deixe comentários neste artigo. O bloco para feedback está localizado abaixo.