Sistema de aquecimento fechado: esquemas e características de instalação do sistema do tipo fechado

A principal característica que diferencia um sistema de aquecimento fechado de um aberto é o seu isolamento do ambiente externo. Esse esquema inclui uma bomba de circulação que estimula o movimento do fluido térmico. O esquema não possui muitas das desvantagens inerentes ao circuito aberto de aquecimento.

Você aprenderá tudo sobre os prós e contras dos esquemas de aquecimento fechados ao ler o artigo que propomos. Nele, as opções de configuração, as especificidades de montagem e operação de sistemas fechados são analisadas em detalhe. Para artesãos autônomos, é fornecido um exemplo de cálculo hidráulico.

As informações apresentadas para consulta baseiam-se em normas de construção. Para otimizar a compreensão do tema complexo, o texto é complementado com esquemas úteis, seleções de fotos e guias em vídeo.

Princípio de funcionamento de um sistema fechado

As expansões térmicas em um sistema fechado são compensadas pelo uso de um tanque de expansão de membrana, que é preenchido com água durante o aquecimento. Ao resfriar, a água do tanque retorna ao sistema, mantendo assim uma pressão constante no circuito.

A pressão criada no circuito de aquecimento fechado durante a instalação é transmitida a todo o sistema. A circulação do fluido térmico é forçada, portanto este sistema é dependente de energia. Sem a bomba de circulação, não haverá movimento de água aquecida através dos tubos para os dispositivos e de volta ao gerador de calor.

Elementos principais do circuito fechado:

• caldeira;
• válvula de purga de ar;
• válvula termostática;
• radiadores;
• tubos;
• tanque de expansão sem contato com a atmosfera;
• válvula de balanceamento;
• válvula esférica;
• bomba, filtro;
• válvula de segurança;
• manômetro;
• conexões, fixações.

Se o fornecimento de eletricidade da casa for ininterrupto, o sistema fechado funciona com eficiência. Frequentemente, a estrutura é complementada com 'piso aquecido', aumentando sua economia e transferência de calor.

Tal disposição permite não seguir um diâmetro específico da tubulação, reduzir os custos com materiais e não precisar inclinar a tubulação, o que simplifica a instalação. O líquido que chega à bomba deve estar a baixa temperatura, caso contrário, seu funcionamento é impossível.

O circuito de aquecimento do tipo fechado inclui algumas peças que também são usadas em outros tipos de sistemas

Esta variante tem uma desvantagem: enquanto com uma inclinação constante o aquecimento funciona mesmo na ausência de eletricidade, com a tubulação estritamente horizontal, o sistema fechado não funciona. Essa desvantagem é compensada pelo alto rendimento e por uma série de aspectos positivos em comparação com outros tipos de sistemas de aquecimento.

A instalação é relativamente simples e possível em ambientes de qualquer tamanho. Não é necessário isolar a tubulação, o aquecimento ocorre muito rapidamente; se houver um termostato no circuito, a temperatura pode ser ajustada. Se o sistema estiver bem projetado, não há perda de fluido térmico e, consequentemente, não há necessidade de reabastecimento.

Uma vantagem indubitável do sistema de aquecimento fechado é que a diferença de temperatura entre a alimentação e o retorno aumenta a vida útil da caldeira. A tubulação no circuito fechado é menos suscetível à corrosão. É possível injetar anticongelante em vez de água no circuito quando o aquecimento precisa ser desligado no inverno por longos períodos.

Os sistemas de tipo fechado mais comumente utilizados são os sistemas de água, embora líquidos anticongelantes, vapor e gases com as características necessárias também possam atuar como fluido térmico.

Proteção do sistema contra ar

Teoricamente, o ar não deveria entrar em um sistema de aquecimento fechado, mas na prática ele ainda está presente. O acúmulo é observado quando os tubos e radiadores são preenchidos com água. A segunda causa pode ser a despressurização das juntas.

Como resultado do surgimento de bolsas de ar, a transferência de calor do sistema diminui. Para combater esse fenômeno, são incluídos no sistema válvulas e torneiras especiais para a liberação de ar.

Se o ar não se acumula no sistema, a bóia do purgador de ar bloqueia a válvula de saída. Quando uma bolsa de ar se acumula na câmara da bóia, a bóia deixa de segurar a válvula de saída, permitindo que o ar escape do dispositivo.

Para minimizar a probabilidade de formação de bolsas de ar, é necessário seguir certas regras ao preencher o sistema fechado:

1. Fornecer água do ponto inferior para o superior. Para isso, os tubos devem ser dispostos de modo que a água e o ar liberado se movam na mesma direção.
2. Manter as torneiras de purga de ar abertas e as torneiras de drenagem de água fechadas. Assim, durante a subida gradual do fluido de aquecimento, o ar sairá através dos purgadores de ar abertos.
3. Feche a torneira de purga de ar assim que a água começar a sair por ela. Continue o processo suavemente até que o circuito esteja completamente preenchido com fluido de aquecimento.
4. Ligar a bomba.

Se no circuito de aquecimento houver radiadores de alumínio, então em cada um são necessários purgadores de ar. O alumínio, ao entrar em contato com o fluido de aquecimento, provoca uma reação química, acompanhada pela liberação de oxigênio. Em radiadores parcialmente bimetálicos, o problema é o mesmo, mas forma-se significativamente menos ar.

O purgador de ar automático é instalado no ponto mais alto. Este requisito se explica pelo fato de que as bolhas de ar em líquidos sempre sobem pelo tubo, onde o dispositivo de purga de ar as coleta.

Em radiadores 100% bimetálicos, o fluido de aquecimento não entra em contato com o alumínio, mas os profissionais insistem na presença de purga de ar também neste caso. A construção específica dos radiadores de painel de aço já é equipada com válvulas de purga de ar durante o processo de fabricação.

Em radiadores antigos de ferro fundido, o ar é removido por meio de uma válvula esfera; outros dispositivos são pouco eficazes aqui.

Os pontos críticos no circuito de aquecimento são as curvas dos tubos e os pontos mais altos do sistema, por isso os dispositivos de purga de ar são montados nesses locais. Em um circuito fechado, são utilizadas torneiras de Mayevsky ou válvulas de bóia automáticas, que permitem a purga de ar sem intervenção humana.

No corpo deste dispositivo, há uma boia de polipropileno conectada através de uma alavanca a um obturador. À medida que a câmara da boia se enche de ar, a boia desce e, ao atingir a posição inferior, abre uma válvula por onde o ar escapa.

No volume liberado de gás, entra água, a boia sobe e fecha o obturador. Para evitar que detritos entrem no interior deste, ele é coberto com uma tampa protetora.

O corpo, tanto do purgador manual quanto do automático, é fabricado com material de qualidade, resistente à corrosão. Para remover uma bolsa de ar, gira-se o cone no sentido anti-horário, liberando o ar até que o chiado pare.

Existem modificações onde esse processo ocorre de forma diferente, mas o princípio é o mesmo: a boia na posição inferior — ocorre a liberação de gás; a boia levantada — a válvula está fechada, o ar se acumula. O ciclo se repete automaticamente e não requer presença humana.

Cálculo hidráulico para sistema fechado

Para não errar na seleção dos tubos quanto ao diâmetro e à potência da bomba, é necessário realizar o cálculo hidráulico do sistema.

O funcionamento eficiente de todo o sistema é impossível sem levar em conta os 4 pontos principais:

1. Determinação da quantidade de fluido térmico que precisa ser fornecida aos dispositivos de aquecimento para garantir o equilíbrio térmico desejado na casa, independentemente da temperatura externa.
2. Maximização da redução dos custos operacionais.
3. Minimização dos investimentos financeiros, que dependem do diâmetro selecionado da tubulação.
4. Operação estável e silenciosa do sistema.

Resolver essas tarefas é auxiliado pelo cálculo hidráulico, que permite selecionar os diâmetros ideais dos tubos considerando velocidades de fluxo do fluido térmico economicamente justificáveis, determinar as perdas de carga hidráulica em trechos individuais, interligar e equilibrar os ramos do sistema. Esta é uma etapa de projeto complexa e trabalhosa, porém necessária.

Regras para cálculo da vazão do fluido térmico

Os cálculos são possíveis com a realização de um cálculo térmico e após a seleção dos radiadores por potência. O cálculo térmico deve conter dados fundamentados sobre volumes de energia térmica, cargas e perdas de calor. Se esses dados não estiverem disponíveis, a potência do radiador é estimada pela área do cômodo, mas os resultados serão menos precisos.

O diagrama tridimensional é conveniente para o trabalho. Todos os elementos nele recebem designações que incluem a marcação e um número sequencial.

Começa-se pelo esquema. É melhor realizá-lo em projeção axonométrica e inserir todos os parâmetros conhecidos. A vazão do fluido térmico é determinada pela fórmula:

G = 860q/Δt kg/h,

onde q é a potência do radiador em kW, Δt é a diferença de temperatura entre a linha de retorno e a de alimentação. Determinado esse valor, pelas tabelas de Shevelev determina-se a seção dos tubos.

Para utilizar estas tabelas, o resultado dos cálculos deve ser convertido em litros por segundo pela fórmula: GV = G / 3600ρ. Aqui, GV representa o fluxo do fluido térmico em l/seg, ρ é a densidade da água igual a 0.983 kg/l à temperatura de 60 graus Celsius. A partir das tabelas, é possível simplesmente selecionar a seção do tubo, sem realizar o cálculo completo.

As tabelas de Chevelev simplificam significativamente o cálculo. Aqui são apresentados os valores dos diâmetros de tubos plásticos e de aço, que podem ser determinados conhecendo a velocidade de movimento do fluido térmico e seu fluxo.

A sequência do cálculo é mais fácil de entender no exemplo de um esquema simples, incluindo uma caldeira e 10 radiadores. O esquema deve ser dividido em trechos, onde a seção dos tubos e o fluxo do fluido térmico são valores constantes.

O primeiro trecho é a linha que vai da caldeira até o primeiro radiador. O segundo é o segmento entre o primeiro e o segundo radiador. O terceiro e os trechos subsequentes são identificados de forma análoga.

A temperatura do primeiro ao último dispositivo diminui gradualmente. Se no primeiro trecho a energia térmica é igual a 10 kW, ao passar pelo primeiro radiador, o fluido térmico cede a ele uma certa quantidade de calor e o calor perdido diminui em 1 kW, e assim por diante.

O fluxo do fluido térmico pode ser calculado pela fórmula:

Q=(3.6xQuch)/(cx(tr-to))

Aqui, Quch é a carga térmica do trecho, c é o calor específico da água, que tem um valor constante de 4,2 kJ/kg × s, tr é a temperatura do fluido térmico quente na entrada, to é a temperatura do fluído térmico resfriado na saída.

A velocidade ideal de movimento do fluido térmico quente na tubulação é de 0,2 a 0,7 m/s. Com um valor menor, surgirão bolhas de ar no sistema. Este parâmetro é influenciado pelo material do produto, rugosidade interna do tubo.

Tanto em circuitos de aquecimento abertos quanto fechados, são utilizados tubos de aço carbono e inoxidável, cobre, polipropileno, polietileno de diferentes modificações, polibutileno, etc.

Com a velocidade do fluido térmico dentro dos limites recomendados, 0,2-0,7 m/s, em tubulações poliméricas serão observadas perdas de pressão de 45 a 280 Pa/m, e em tubos de aço, de 48 a 480 Pa/m.

O diâmetro interno dos tubos no trecho (dvn) é determinado com base na magnitude do fluxo térmico e na diferença de temperatura na entrada e saída (∆tco=20 graus Celsius para esquema de aquecimento de 2 tubos) ou no fluxo do fluido térmico. Para isso, existe uma tabela especial:

Por esta tabela, conhecendo a diferença de temperatura entre entrada e saída, bem como a velocidade do fluxo, é fácil determinar o diâmetro interno do tubo.

Para escolher o circuito, deve-se considerar os esquemas de 1 tubo e de 2 tubos separadamente. No primeiro caso, calcula-se a coluna com a maior quantidade de equipamentos, e no segundo, o circuito carregado. O comprimento do trecho é obtido a partir do plano, feito em escala.

A execução de um cálculo hidráulico preciso só é possível para um especialista na área. Existem programas especiais que permitem realizar todos os cálculos relacionados às características térmicas e hidráulicas, que podem ser usados ao projetar um sistema de aquecimento para sua casa.

Seleção da bomba de circulação

O objetivo do cálculo é obter o valor da pressão que a bomba deve desenvolver para circular a água pelo sistema. Para isso, utiliza-se a fórmula:

P = Rl + Z

Onde:

• P — é a perda de pressão na tubulação em Pa;
• R — é a resistência específica ao atrito em Pa/m;
• l — é o comprimento do tubo no trecho calculado em m;
• Z — é a perda de pressão nos trechos 'estreitos' em Pa.

Esses cálculos são simplificados pelas mesmas tabelas de Shevelev, a partir das quais se pode encontrar o valor da resistência ao atrito, mas o 1000i terá que ser recalculado para o comprimento específico do tubo. Assim, se o diâmetro interno do tubo for 15 mm, o comprimento do trecho for 5 m e 1000i = 28,8, então Rl = 28,8 x 5/1000 = 0,144 Bar. Encontrando os valores de Rl para cada trecho, eles são somados.

O valor da perda de pressão Z, tanto para a caldeira quanto para os radiadores, consta no manual. Para outras resistências, os especialistas recomendam considerar 20% do Rl, com posterior soma dos resultados por trechos individuais e multiplicação pelo coeficiente 1,3. O resultado será a altura manométrica desejada da bomba. Para sistemas de um e dois tubos, o cálculo é o mesmo.

A bomba é instalada de modo que seu eixo fique na posição horizontal, caso contrário não será possível evitar a formação de bolsas de ar. Ela é montada em conexões americanas para que, se necessário, seja fácil removê-la.

No caso em que a bomba é selecionada para uma caldeira já existente, aplica-se a fórmula: Q=N/(t2-t1), onde N é a potência do equipamento de aquecimento em W, t2 e t1 são as temperaturas do fluido térmico na saída da caldeira e no retorno, respectivamente.

Como calcular o tanque de expansão?

O cálculo se resume a determinar o valor pelo qual o volume do fluido térmico aumentará durante seu aquecimento, desde a temperatura ambiente média de +20 °C até a temperatura de trabalho — de 50 a 80 °C. Esses cálculos não são simples, mas existe outra forma de resolver o problema: os profissionais recomendam escolher um tanque com volume igual a 1/10 da quantidade total de líquido no sistema.

O vaso de expansão é um elemento muito importante do sistema. O excesso de fluido térmico que ele absorve no momento da expansão evita que a tubulação e as torneiras se rompam.

Esses dados podem ser obtidos nos manuais dos equipamentos, onde estão indicados a capacidade da camisa d'água da caldeira e de 1 seção do radiador. Em seguida, calcula-se a área da seção transversal dos tubos de diferentes diâmetros e multiplica-se pelo comprimento correspondente.

Os resultados são somados, adicionam-se os dados dos manuais e do total se tira 10%. Se todo o sistema comporta 200 L de fluido térmico, então é necessário um vaso de expansão com volume de 20 L.

Critérios para seleção do tanque

Os tanques de expansão são fabricados em aço. No interior, há uma membrana que divide o recipiente em 2 compartimentos. O primeiro é preenchido com gás e o segundo com fluido de aquecimento. Quando a temperatura aumenta e a água flui do sistema para o tanque, o gás é comprimido sob sua pressão. O fluido de aquecimento não pode ocupar todo o volume devido à presença de gás no tanque.

A capacidade dos tanques de expansão varia. Este parâmetro é selecionado de modo que, quando a pressão no sistema atinge seu pico, a água não suba acima do nível definido. Como proteção do tanque contra transbordamento, uma válvula de segurança é incluída na construção. O enchimento normal do tanque é de 60 a 30%.

A solução ideal é realizar a instalação do tanque de expansão em um local onde o sistema tenha o menor número de curvas. O melhor lugar para ele é um trecho reto antes da bomba.

Escolha do esquema ideal

Ao instalar o aquecimento em uma casa particular, são utilizados esquemas de dois tipos: de um e de dois tubos. Se compará-los, o último é mais eficiente. Sua principal diferença está nas formas de conectar os radiadores aos tubos. Em um sistema de dois tubos, um elemento obrigatório do esquema de aquecimento é uma coluna individual, por onde o fluido de aquecimento resfriado retorna à caldeira.

A instalação de um sistema de um tubo é mais simples e menos dispendiosa financeiramente. O circuito fechado deste sistema combina tanto a tubulação de alimentação quanto a de retorno.

Sistema de aquecimento monotubo

Em casas de um e dois andares com pequena área, o esquema de circuito de aquecimento fechado de um tubo se mostrou bem, consistindo em uma tubulação de 1 tubo e uma série de radiadores conectados a ela em série.

Às vezes é popularmente chamada de 'Leningradka'. O fluido de aquecimento, ao liberar calor para o radiador, retorna ao tubo de alimentação e depois passa pela próxima bateria. Os últimos radiadores na sequência recebem menos calor.

Ao instalar um sistema de tubo único, é possível fazer 2 variantes de movimento do fluido térmico — paralelo e sem saída. No primeiro caso, o sistema pode ser balanceado, no segundo, não.

A vantagem desse esquema é a instalação econômica — menos material e tempo do que um sistema de dois tubos. Se um radiador falhar, os outros funcionarão normalmente usando um bypass.

As possibilidades do esquema de tubo único são limitadas — não pode ser iniciado em etapas, os radiadores aquecem de forma desigual, por isso é necessário adicionar seções ao último da cadeia. Para evitar que o fluido térmico esfrie tão rapidamente, é necessário aumentar o diâmetro dos tubos. Recomenda-se conectar no máximo 5 radiadores por andar.

Existem 2 tipos de sistema: horizontal e vertical. Em um edifício térreo, o tipo horizontal do sistema de aquecimento é instalado tanto acima quanto abaixo do piso. Recomenda-se montar as baterias no mesmo nível, e o tubo de alimentação horizontal com uma leve inclinação no sentido do movimento do fluido térmico.

Na distribuição vertical, a água da caldeira sobe pelo riser central, entra no tubo, distribui-se pelos risers individuais e deles para os radiadores. Ao esfriar, o líquido desce pelo mesmo riser, passando por todos os aparelhos, chega ao tubo de retorno, e dele a bomba a bombeia de volta para a caldeira.

O sistema vertical de tubo único inclui um riser principal e vários outros ramais, um tanque de expansão, um tubo de alimentação, radiadores, um coletor de ar, um tubo de retorno e uma bomba. Mais frequentemente, é utilizado um sistema com seções deslocadas, onde válvulas de três vias são usadas para regular o aquecimento dos radiadores.

Ao escolher o tipo fechado de sistema de aquecimento, a instalação é realizada na seguinte sequência:

1. Instala-se a caldeira. Na maioria das vezes, reserva-se um local para ela no porão ou no primeiro andar da casa.
2. Conectam-se os tubos aos bicos de entrada e saída da caldeira e distribuem-nos ao redor de todos os cômodos. As conexões são escolhidas de acordo com o material dos tubos principais.
3. Instala-se o tanque de expansão, colocando-o no ponto mais alto. Simultaneamente, monta-se o grupo de segurança, conectando-o à linha principal através de um tee. Fixa-se o riser vertical principal e conecta-se ao tanque.
4. Realiza-se a montagem dos radiadores com a instalação das válvulas Mayevsky. A melhor opção: um bypass e 2 válvulas de bloqueio — uma na entrada e outra na saída.
5. Realiza-se a instalação da bomba no trecho onde o refrigerante resfriado entra na caldeira, instalando previamente um filtro antes do local de sua montagem. O rotor é posicionado estritamente na horizontal.

Alguns instaladores montam a bomba com um bypass, para não drenar a água do sistema em caso de reparo ou substituição do equipamento.

Após a instalação de todos os elementos, abre-se a válvula, enche-se a linha principal com refrigerante e remove-se o ar. Verifica-se se o ar foi completamente removido, desapertando o parafuso localizado na tampa da carcaça da bomba. Se sair líquido por baixo dele, significa que o equipamento pode ser iniciado, após apertar o parafuso central que foi previamente desapertado.

Com esquemas comprovados pela prática de sistemas de aquecimento de tubo único e opções de configuração, você poderá conhecer em outro artigo do nosso site.

Sistema de aquecimento bitubo

Assim como no caso do sistema de tubo único, existe distribuição horizontal e vertical, mas aqui há tanto a linha de alimentação quanto a de retorno. Todos os radiadores aquecem igualmente. Um tipo difere do outro pelo fato de que, no primeiro caso, há um único riser e todos os dispositivos de aquecimento estão conectados a ele.

Os esquemas de dois tubos são mais frequentemente encontrados em construções de vários andares, quando é necessário que uma caldeira aqueça eficientemente todo o edifício

O esquema vertical prevê a conexão dos radiadores a um riser vertical. Sua vantagem é que, em um edifício de vários andares, cada andar é conectado ao riser individualmente.

A característica do esquema de dois tubos é a presença de tubos conectados a cada radiador: um de fluxo direto e outro de retorno. Existem 2 esquemas para conectar os dispositivos de aquecimento. Um deles é o coletor, quando 2 tubos vão do coletor ao radiador.

O esquema é caracterizado por uma instalação complexa, grande consumo de material, mas em cada ambiente é possível ajustar a temperatura.

A segunda — o esquema paralelo é mais simples. Os risers são instalados no perímetro da casa, com radiadores conectados a eles. Por todo o piso passa uma linha horizontal e os risers são conectados a ela.

Os componentes desse sistema são:

• caldeira;
• Válvula de segurança;
• manômetro;
• purga automática de ar;
• válvula termostática;
• radiadores;
• bomba;
• filtro;
• dispositivo de balanceamento;
• tanque;
• válvula.

Antes de iniciar a instalação, deve-se resolver a questão do tipo de fonte de energia. Em seguida, instala-se a caldeira em uma sala de caldeira separada ou no porão. O principal é garantir uma boa ventilação ali. Instala-se o coletor, se previsto no projeto, e a bomba. Próximo à caldeira, montam-se os equipamentos de controle e medição.

Para cada futuro radiador, conduz-se uma linha principal, em seguida instalam-se os próprios radiadores. Penduram-se os aparelhos de aquecimento em suportes especiais de modo que fiquem a cerca de 10-12 centímetros do chão e 2-5 cm das paredes. As aberturas dos aparelhos na entrada e saída são equipadas com dispositivos de fechamento e regulação.

O processo de instalação de um sistema de dois tubos consiste em várias etapas. A primeira delas é a instalação da caldeira. Primeiro, os tubos são levados aos locais de instalação dos radiadores e só depois os próprios radiadores são montados.

Após a instalação de todos os componentes do sistema, ele é submetido a teste de pressão. Isso deve ser feito por profissionais, pois somente eles podem emitir o documento correspondente.

Os detalhes das características de um sistema de aquecimento de dois tubos são descritos aqui; o artigo apresenta vários esquemas e fornece sua análise.

Conclusões e vídeo útil sobre o tema

Neste vídeo, é apresentado um exemplo de cálculo hidráulico detalhado de um sistema de aquecimento de 2 tubos de tipo fechado para uma casa de 2 andares no programa VALTEC.PRG:

Aqui é explicado em detalhes sobre a estrutura de um sistema de aquecimento de um tubo:

É possível realizar a instalação de um sistema de aquecimento fechado por conta própria, mas não se pode prescindir de consultas com especialistas. A chave para o sucesso é um projeto bem executado e materiais de qualidade.

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