Riesgos de las duchas eléctricas

Ing. Daniel Ricardo Pérez

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Esta nota fue publicada en la revista Ingeniería Eléctrica 381, Noviembre_2022

Spoiler. Si no puede leer toda la nota, le contamos el final: si desea instalar una ducha eléctrica y no consigue localmente un modelo con resistencia "blindada", impórtela o considere un calentador tipo tanque, por acumulación.

Es un hecho que se tienda cada vez más a usar la electricidad para calentar, ya sea el ambiente, el agua o para cocción, tanto en viviendas nuevas, como a las que se les clausuró el servicio de gas y resulta más económico cambiar los artefactos a eléctricos antes que adecuar la instalación de gas.

Para el calentamiento de agua puede optarse por un calefactor central en la vivienda, o bien en el punto de uso.
A su vez, pueden dividirse en por acumulación e instantáneos.

En esta figura vemos las dos posibilidades para los calentadores centrales, con el nombre con que los designa el reglamento AEA. El nombre comercial varía según los países: en Argentina al de acumulación se le llama termotanque y al instantáneo calefón. Esta última palabra no es muy compartida por otros países de habla hispana. Además a veces también le decimos calefón a los calentadores solares aunque éstos sean de acumulación.

En ambos casos, el calentamiento se efectúa por resistencias blindadas. Al decir "blindadas" se sobreentiende que además del tubo metálico poseen una capa conductora del calor que las aísla eléctricamente de ese blindaje.

Los de acumulación tienen un consumo en el orden de 1,2 a 2kW y requieren esperar un cierto tiempo para calentar toda la masa de agua, siendo menor en los llamados de "alta recuperación" (utilizando mayor potencia).

Los instantáneos la calientan a medida que pasa, pero su consumo es del orden de 6 a 13kW. Este es un dato a tener en cuenta para dimensionar los cables después y antes del medidor, y en caso de todo un edificio puede requerir que la compañía eléctrica replantee la distribución de baja tensión, o que decida agregar un transformador de MT a BT. Potencias tan elevadas pueden requerir un suministro trifásico, y usar agua precalentada por un colector solar. Esto último es tanto más necesario cuanto más fría sea el agua a calentar, no es la misma situación en Manaos que en Ushuaia.
 

Aquí vemos las versiones para ser instaladas en el punto de uso. Las consideraciones son similares. El caos de denominaciones es aún mayor: se los puede ver ofrecidos a ambos tipos como calefones, duchas, regaderas, chuveiros [pt], etc., aunque según el reglamento AEA 701 la palabra "ducha" debería usarse para denominar al lugar donde uno se ducha (bañera chica).

En los de acumulación (entre 1 y 1,2kW) la resistencia siempre es blindada. La forma correcta de usarlos es llenar de agua, encender la resistencia hasta la temperatura deseada, y bañarse con el aparato apagado, no sólo por seguridad sino para evitar que siga calentando y además que se queme al vaciarse el depósito.

Sin embargo, en las instantáneas (de 4 a 7kW) la mayoría de las que se publicitan en Argentina tiene la resistencia en contacto con el agua, ya sea en forma de bobina autosoportada, o devanada sobre un lámina curva.

Este es el punto sobre el que nos queremos concentrar en esta nota.

La resistencia siempre va conectada directamente a la red eléctrica; es impráctico diseñarla para una tensión de, por ejemplo 24V, porque un transformador aislador ya sea eléctrico o electrónico del orden de 5kW, aumentaría mucho su precio y volumen.

Sabemos que el agua corriente tiene una cierta conductividad que es variable según los sólidos que tenga disueltos. Según su valor, la corriente de fuga (normal) que pasa desde la resistencia a la masa de agua puede superar los 30mA, por esta razón en las instrucciones de instalación de estas duchas no se menciona al interruptor diferencial (ID), o directamente se especifica que NO debe colocarse, ya que su fuga normal la dispararía siempre aun en ausencia de falla.

Para que esta corriente no le llegue a la persona, el agua antes de salir por la flor (difusor) pasa por un trecho donde está expuesto un tramo del cable de tierra (PE) con lo cual teóricamente la mayor parte de la corriente en la masa de agua es derivada por este cable y el agua sale con cero volts. El peligro es evidente: jamás debe perderse la continuidad de esta conexión, lo cual puede ocurrir por ejemplo si se oxida el contacto con la pica o jabalina (electrodo dispersor) o por mal apriete en un borne o empalme. Cada tanto leemos noticias de personas electrocutadas con este tipo de duchas. Sin embargo estos modelos son populares en países como Brasil. Allí al menos está la opción de adquirir las blindadas, a mayor precio.

En esta tabla comparamos el grado de seguridad de las duchas con resistencia blindada y con resistencia expuesta. En la expuesta basta con una única falla para que exista peligro para la persona, dependiendo de la conductividad del agua y la cercanía a la flor. En cambio, usando una ducha con resistencia blindada instalada según reglamento, es necesario que fallen TRES cosas para que exista un peligro.

Qué dicen los reglamentos?

- En Argentina la sección 701 del AEA 90364 (baños y otros lugares con emisión de agua) especifica:
701.55.6.3 (...) Los calentadores de agua instantáneos, con calefactores no aislados (desnudos) inmersos en el agua, NO están permitidos.
701.412.5 (...) todos los circuitos terminales deberán ser protegidos complementariamente contra los contactos directos por medio de interruptores diferenciales de <= 30mA (sugiere de 10mA).
701.55.3 indica que los calentadores de agua instantáneos o acumulativos deben instalarse en la llamada zona 2, que es desde los 2,25m de altura sobre el piso de la bañera o receptáculo de ducha. La idea es no poder tocar el calentador con el brazo en alto. Además da una seguridad adicional al aumentar la resistencia del chorro. En esto es más estricto que los siguientes reglamentos, que la permiten en zona 1:

- En España, el ITC-BT-27 (locales con bañera o ducha) en la Tabla 1, permite en el volumen (zona) 1: "Calentadores de agua (...) si su alimentación está protegida adicionalmente con un dispositivo de protección de corriente diferencial de <= 30mA".

- En Brasil, el NBR-5410 dice en 5.1.3.2.2 "devem ser objeto de proteção adicional por dispositivos a corrente diferencial-residual com nominal igual ou inferior a 30 mA: a) os circuitos que sirvam a pontos de utilização situados em locais contendo banheira ou chuveiro" y "9.1.4.4.2 No volume 1 somente podem ser instalados aquecedores de água elétricos classe I ou II" o sea con puesta a tierra o con doble aislación. Pero debido a la exigencia de usar ID, se sobreentiende que la puesta a tierra es para proteger ante una FALLA (cortocircuito) del calentador, no para derivar la FUGA normal de un no blindado. Entonces prohíbe o no prohíbe los expuestos? Honestamente no lo encontré, a diferencia de AEA, o sea que si el agua es lo bastante pura como para que no se dispare el ID y se conecta a tierra, se cumplen los puntos 5.1.3.2.2 y 9.1.4.4.2. Pero el ID NO PROTEGE ante una accidental DESCONEXIÓN DE LA TIERRA: si ésta falla, los miliamperes que iban a tierra irán a la persona, no morirá pero la experiencia será sumamente desagradable y con riesgo de calambre muscular (quedarse "pegada").

Claro, el reglamento no tiene poder de policía, se lo aplica o no se lo aplica. Es común escuchar o leer comentarios como "yo tengo la no blindada (o la instalé muchas veces) y nunca me pasó nada" o "En Brasil son muy usadas" (allí lo más común es 110V, lo que ayuda un poco a que una descarga no sea mortal). Pero si de 10000 usuarios 9999 no tuvieron problema y uno recibió una descarga, ese 1 basta y sobra para darse cuenta del riesgo.

Ejemplos de resistencias expuestas. Se incluye también un peligroso calentador por inmersión para tazas.

Analizaremos modelos de marcas argentinas (puede que haya o se lancen otros). En el caso del Lavarmin, se dispone del esquema eléctrico. Una manguera está dividida en segmentos unidos por tubos metálicos que en el caso de los T2, T3 y T4 sirven de contacto eléctrico de las resistencias internas con la llave selectora; T1 y T5 derivan a neutro el flujo de entrada y salida; y T6 termina de derivar a PE el de salida. Esta doble derivación a la salida asegura que si falla la conexión a tierra, al menos el agua saldrá a potencial de neutro, pero ello no quita que haya una fuga constante hacia PE en condiciones normales, que puede llegar a impedir el uso de ID según la conductividad.

También en en este modelo de Temis, el agua pasa por una manguera con la resistencia en su interior.

Estos son algunos modelos de duchas en el mercado brasileño, en las que se pudo confirmar por imágenes que efectivamente poseen resistencia blindada. A diferencia de otros modelos Lorenzetti, en el manual de instalación de la Blinducha se menciona "Pode ser utilizada em circuitos com DR" (ID). Otra marca con modelos publicitados como blindados es Fame, aunque no se localizaron imágenes del interior. Estos fabricantes también ofrecen modelos con resistencia expuesta. No conozco qué porcentaje de las ventas pertenece a cada tipo, lo que vale es que hay variedad de oferta, en contraste con el mercado argentino, en que también se encuentran las marcas mencionadas además de las nacionales Lavarmin y Temis, pero sólo en versiones expuestas.

Al momento de esta edición, modelos importados en el mercado nacional que evidencian ser con resistencia blindada (no los verifiqué en persona) son el modelo 100 de Atmor (Israel) y el E-Shower. La tecnología de la resistencia se ve reflejada en un mayor precio obviamente. Otros modelos no ofrecidos aquí incorporan ID. El formato no intenta imitar un cabezal convencional, es un gabinete adosado a la pared con duchador manual. En Costa Rica la marca Thermo Solutions ofrece el modelo Thermo Plus 5500W que también es tipo gabinete e incluye un ID.

Cuando la resistencia es blindada, no es técnicamente fácil hacerla con derivaciones para seleccionar la temperatura. Por lo tanto, en estos casos es más probable encontrar un variador de temperatura electrónico, basado p. ej. en un triac al que se le varía el ángulo de conducción, lográndose la conveniencia de un control continuo de la potencia en vez de a saltos.

Leyendo los manuales de las duchas nos encontramos con detalles que vale la pena destacar.

- Si se menciona "disjuntor", no necesariamente es la forma en que comúnmente se conoce al diferencial en Argentina. El significado estricto de disyuntor es similar al de interruptor. La frase "Disjuntor ou Fusível: 32A" se refiere claramente al interruptor termomagnético. En Brasil, al verdadero ID se lo conoce como DR (diferencial residual).

- En algunos se lee que si "O DR está desarmando" una posible causa es: "Sistema de aterramento não adequado. Adeque-o à NBR 5410". Esta frase evidentemente no fue redactada por una persona idónea, nunca una mala PAT puede causar activación del ID.

- Es común especificar una altura mínima de la ducha de 1,8m, como para no chocarla con la cabeza. Pero como se mencionó, según AEA es desde los 2,25m. Aunque quién aceptaría romper la pared si hiciera falta prolongar un caño preexistente para cumplir con los 2,25? Además, la 701 menciona el uso de duchadores móviles dentro de la zona 1.

- En Brasil las viviendas pueden optar por 110/127/220V monofásica o 220V bifásica (dos fases de 110V a 180 grados entre ellas, más neutro). Los manuales indican ITM unipolar para monofásica y bipolar para bifásica, y esto se conserva en las traducciones al castellano. Pero la AEA 770.16.5.2 indica "En las instalaciones monofásicas, los dispositivos para maniobra y protección de circuitos deben ser con corte y protección bipolares".

- A veces se especifica la mínima resistividad del agua, por ejemplo 1300 ohm*cm pero por razones químicas. Tradicionalmente, la resistividad es una forma indirecta de especificar la dureza (sarro) del agua. El sarro forma costra sobre las superficies calientes, y es mal conductor del calor, por lo que las aguas duras (p. ej. de pozo) tapan más rápidamente los calefactores, blindados o no, dificultando la transferencia del calor y llegando a quemar la resistencia. Pero en casos como el Loren Bello de resistencia expuesta, además del límite de 1300 ohm*cm, se agrega uno más estricto de 2950 ohm*cm si se desea poner diferencial, y esto sí es un requerimiento eléctrico y explica por qué hay quienes instalan ID a este tipo de duchas y no saltan (o están al borde), especialmente si la red es de 110V y el agua es muy pura.

Esta tabla compara la resistividad del agua según la procedencia, destacando la exigencia de los 1,3k*cm de algunos modelos. Se incluye también su inversa, la conductividad medida en siemens, y ambas en sus versiones relacionadas al metro y al centímetro. La resistividad depende de la temperatura, se mide o recalcula para 20 o 25 Celsius.

Para tener una idea de cuánto es una resistividad determinada: si tengo un cubo con 1cm de arista, y coloco dos placas metálicas de 1cm2 en caras opuestas (que quedarán separadas 1cm) y lo lleno con agua de 1 kohm*cm entonces la resistencia entre placas será de 1 kohm. Esta medición debe realizarse obligadamente en AC: al intentar hacerlo en DC, por ejemplo con un óhmetro, la medición irá aumentando paulatinamente debido a la electrólisis que se produce.

Así hice para medir la resistividad. A este envase le coloco dos placas de cobre que quedan separadas casi exactamente 1cm (no era imprescindible), y como caben 3cm a lo ancho echo agua hasta una altura de 3,3cm para tener un número redondo en la superficie (10cm2) por comodidad. Le aplico 220V AC en serie con un resistor conocido (Rp), en este caso un soldador con una resistencia medida de 1444 ohm ya sea en frío como en caliente, y mido la caída de tensión en el vaso. Con el agua de casa obtengo 3100 ohm*cm. Con un agua extraída de una 1a napa dio 929, 3,3 veces más conductora, y además no cumple el mínimo de 1300 requerido por cuestiones de sarro. Con agua salada de la costa atlántica dio 42.

Aquí vemos el equivalente eléctrico del agua en una ducha con resistencia expuesta, en condiciones normales. Parte de la masa de agua toca las espiras cercanas a la conexión del vivo, parte a las espiras contrarias, etc. por lo que el contacto se representa como una R distribuida. En los modelos en que la resistencia está sumergida en el recinto inundado, da lo mismo cuál sea el polo de la línea a este efecto. En cambio, en aquellos en que el agua pasa por una manguera con la resistencia en su interior, sí es importante que el neutro se conecte al extremo de salida. Parte de la electricidad retorna a tierra por la instalación de agua. El agua que va a salir hace contacto con 1cm de cable de tierra expuesto , descargando a tierra la mayor parte, esto es lo que frecuentemente impide usar un ID. Como se dice coloquialmente: estas duchas dejan que pase electricidad al agua, luego la quitan. En condiciones normales, a la persona le llega una pequeña corriente que puede ser percibida a lo sumo como una cosquilla.

Aquí hago una aproximación de qué puede esperarse en caso de que se corte la conexión a tierra en una ducha no blindada. La ducha se simula con una botella perforada con una espiral de alambre simulando la resistencia. Se la eligió más corta pues estará toda a potencial de la red en vez de pasar gradualmente a neutro. Una placa en el fondo del balde representa la tierra de la bañera, pero para mi seguridad todo el montaje está aislado de la tierra donde se hace la prueba mediante un transformador aislador, improvisado con dos de 220:12, creando así un sistema IT. Un resistor de 1,1 ohm más un puente rectificador permite convertir cada mA senoidal eficaz  a 1mV de valor medio de módulo (DC) para poder usar un multímetro sin escala de mA AC. Un resistor de 1k simula la resistencia del cuerpo. Sosteniendo la botella a distintas alturas se puede deducir aproximadamente que en este caso de tierra cortada:

- Si está a 10cm o más abajo de la flor, la persona recibirá algunos mA que le resultarán molestos.

- Una posible reacción será levantar la mano para cortar el interruptor de la ducha. Lo más sensato sería escapar inmediatamente del recinto.

- La corriente aumentará al orden de 20mA lo que le producirá calambre muscular.

- Si llegó a levantarla aún más y a agarrar la perilla del interruptor, puede que la contracción muscular le impida soltarlo, y que la corriente supere los 30mA.

Esto concuerda con ciertos videos en Youtube en que la corriente por un chorro resulta no mortal, y también con la realidad de las noticias de gente electrocutada por duchas eléctricas.

Miscelánea

Su compañía de gas le factura por kilowatthora? Imagino que no, pero viene bien recordar que tanto el gas como la electricidad y el trabajo mecánico son formas de energía (hay otras) que se pueden convertir una en otra y usar las mismas unidades.

Por ejemplo, en la factura de gas me informan que cada metro cúbico rinde 9300 kilocalorías, valor aproximado según la proporción de metano y otros gases que hubiera en el yacimiento.

Por otro lado, recordemos que una caloría es la cantidad de energía térmica o cantidad de calor necesaria para aumentar en un Celsius la temperatura de un gramo de agua (un centímetro cúbico).

Al caer un peso de 101,9kg (fuerza de 1000 newton) a una altura de 1m, se realizó un trabajo (energía cinética) de 1kJ (kilojoule), que si se realiza a cada segundo equivale a una potencia de 1kW.

En 1844, James Joule usó lo anterior para calentar una masa de agua y así relacionar la energía mecánica y la térmica. Usando unidades actuales, aplicando 4,186kJ mecánicos se obtiene 1 kilocaloría.

Y para no olvidarnos de lo nuestro: un motor que tuviera el 100% de eficiencia podría convertir 1kW de potencia eléctrica en 1kW de potencia mecánica, o sea 1,34HP.
Apliquemos las equivalencias:

Comúnmente, los calentadores instantáneos especifican el caudal para una elevación de temperatura de 30 Celsius. Vemos que una ducha eléctrica, para lograr esa elevación con un caudal de tan sólo 3 litros por minuto, debe consumir lo máximo que existe en modelos comerciales. Pero por otro lado 3L/min es aproximadamente el caudal mínimo que exige un calefón a gas para encender! Habré hecho bien las cuentas? Y si quiero el mismo resultado que con un típico calefón a gas "de 14 litros"?

Respuesta: se necesitaría la friolera (valga la contradicción) de 29kW. La tabla también muestra la equivalencia en caudal de gas, comparando con las especificaciones de un calefón a gas, verificando una buena coincidencia. Se confirma lo mencionado al principio sobre la conveniencia de precalentar el agua con un colector solar, para no abusar de la potencia eléctrica.