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EQUILIBRADO HIDRÁULICO CON CONTROLADORES DE PRESIÓN DIFERENCIAL
Por qué y cuándo las instalaciones de HVAC de caudal variable necesitan control de presión diferencial.
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Leeds City Office Park, Inglaterra
“Hydronic balancing with differential pressure controllers” (Equilibrado hidráulico con controladores de presión diferencial), cuarto manual de la serie de publicaciones sobre diseño y equilibrado hidráulicos de TA. El primer manual trata de los bucles de control de equilibrado, el segundo explica los sistema de distribución de equilibrado y el tercero se ocupa de los sistemas de radiadores de equilibrado. Esta publicación va destinada a un público internacional. Puesto que el uso del idioma y la terminología difiere en cada país, puede encontrar que algunos términos y símbolos no son los que Vd. utiliza. Esperamos que esto no le cause demasiadas molestias. Escrito por Robert Petitjean. Nuestro agradecimiento a los expertos en equilibrado hidráulico de TA: Bjarne Andreassen, Eric Bernadou, Jean-Christophe Carette, Bo G Eriksson y Peter Rees por su valiosa contribución. Producción: Sandberg Trygg AB, Suecia. — 3ª edición — Copyright 2002 por Tour & Andersson AB, Ljung, Suecia. Reservados todos los derechos. Queda prohibida la reproducción de cualquier parte de este libro de cualquier forma o por cualquier medio sin el permiso por escrito de Tour & Andersson AB. Impreso en Suecia, mayo 2003.
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Contenido
1- Introducción ......................................................................................................................................... 5 2- Diferentes sistemas de distribución: ventajas e inconvenientes ........................................... 6 2.1
Caudal variable ............................................................................................................................ 6
2.2
Caudal constante ............................................................................................................................... 7
3- Razones para utilizar controladores de presión diferencial .................................................. 9 3.1 3.1.1 3.1.1.1 3.1.1.2 3.1.1.3 3.1.1.4 3.1.1.5 3.1.2 3.1.2.1 3.1.2.2 3.1.2.3 3.1.2.4 3.1.2.5 3.1.2.6
Comprobación del control proporcional preciso y estable...................................................... 9 El bucle de control Elementos de un bucle de control Control proporcional Característica de la válvula de control Autoridad de la válvula de control Dimensionado de una válvula de control de dos vías Comportamiento de un sistema de distribución a caudal variable, ejemplo de instalación Instalación en condiciones de diseño ¿Qué ocurre cuando la válvula de control del terminal “A” se cierra? Caudal medio total del 50% (80% de la carga de diseño) Utilización de bombas de velocidad variable Utilización de controladores locales de ∆p Comparación de resultados y conclusiones
3.2 3.2.1 3.2.2
Reducción al mínimo el ruido de las válvulas de control ...................................................... 29 Algunos tipos de ruidos ¿Qué se puede hacer?
3.3
Equilibrado, puesta en marcha y mantenimiento más sencillos........................................... 32
3.4
Ventajas del control de presión diferencial y resumen .......................................................... 34
4- Aplicaciones de la STAP ................................................................................................................ 38 4.1
Funcionamiento .......................................................................................................................... 38
4.2 4.2.1 4.2.2 4.2.3
Aire acondicionado ..................................................................................................................... 41 Una STAP en cada columna Una STAP en cada ramal Una STAP en cada válvula de control 3
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4.3 4.3.1 4.3.2 4.4
Calefacción por radiadores ...................................................................................................... 48 Válvulas de radiador preajustables Válvulas de radiador no preajustables STAP como controlador de caudal .......................................................................................... 52
5- Apéndices ............................................................................................................................................ 53
5.1.6
Preguntas y respuestas ............................................................................................................... 53 ¿Por qué equilibrar hidráulicamente? ¿Cuáles son los costes del inconfort? ¿Está equilibrada automáticamente una instalación bien diseñada? ¿Es suficiente una bomba de velocidad variable para obtener los caudales de diseño correctos? ¿Está equilibrada automáticamente la instalación si las válvulas de control de dos vías están bien dimensionadas? ¿Aumentan los dispositivos de equilibrado los costes de bombeo?
5.2 5.3 5.4
Caudal mínimo en un sistema de distribución a caudal variable ........................................ 57 Distintos métodos de control de una bomba de velocidad variable ..................................... 59 Costes de bombeo comparados con los costes del inconfort ................................................. 62
5.1 5.1.1 5.1.2 5.1.3 5.1.4 5.1.5
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1. Introducción En teoría, las instalaciones de HVAC modernas pueden responder a las necesidades de clima de interiores más exigentes con unos costes operativos bajos. En la práctica, sin embargo, ni siquiera los controladores más sofisticados cumplen las expectativas. En consecuencia, el confort es menor y los costes operativos son más altos de lo previsto. Esto se debe con frecuencia a que el diseño mecánico de la instalación de HVAC infringe una o varias de las tres condiciones siguientes: 1. El caudal de diseño debe estar disponible para todos los terminales cuando sea necesario. 2. La presión diferencial sobre las válvulas de control no debe mostrar grandes variaciones. 3. Los caudales deben ser compatibles en todos las interfases del sistema. La segunda condición concierne principalmente a los sistemas de distribución de caudal variable. En muchos, la presión diferencial sobre las válvulas de control es variable. Los circuitos también son interactivos hidráulicamente. La existencia de variaciones grandes en la presión diferencial puede ser la causa de un control modulante inestable. Puesto que los circuitos son interactivos, las perturbaciones en una parte del edificio se propagarán a las demás. Para permitir el control preciso y estable de los sistemas de caudal variable, a menudo es necesario estabilizar la presión diferencial. La mejor forma de hacerlo es mediante el uso de válvulas de control de presión diferencial. Éstas mantienen las variaciones de presión diferencial dentro de límites razonables y además hacen que los circuitos sean independientes unos de otros. Las válvulas de control de presión diferencial tienen las ventajas siguientes: 1. Permiten un control modulante preciso y estable. 2. Reducen al mínimo el ruido producido por las válvulas de control (todo/nada o modulante). 3. Simplifican el equilibrado y la puesta en marcha. En este manual se explica con más detalle por qué es importante utilizar control de presión diferencial en las instalaciones de HVAC de caudal variable. Proporciona además métodos para equilibrar dichas instalaciones.
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2. Diferentes sistemas de distribución En las instalaciones de HVAC, la distribución de agua se puede realizar mediante caudal constante o variable. Cada tipo de distribución tiene ventajas y desventajas.
2.1 Caudal variable ∆H C ∆H
C
Figura 2.01. Ejemplos de sistemas de distribución a caudal variable.
En los sistemas de distribución a caudal variable, el control se consigue principalmente mediante válvulas de control de dos vías. Ventajas • Los costes de bombeo dependen del producto de la altura de bomba por el caudal de agua. Cuanto más reducen el caudal las válvulas de control, más energía se ahorra. Esto es especialmente interesante en refrigeración, donde los costes de bombeo de distribución, con un caudal constante, representan entre el 6 y el 12% (sección 5.4) del consumo medio de energía de las enfriadoras. • La instalación se puede diseñar con un factor de simultaneidad. Éste podría ser el motivo principal de la conversión de la distribución de caudal constante a variable, puesto que permite una expansión de la instalación mediante el uso de las mismas tuberías. • Dado que la plena carga es infrecuente, las tuberías se pueden diseñar con pérdidas de carga superiores, lo que reduce los costes de las inversiones. • Los caudales de producción y distribución son compatibles, lo que asegura una temperatura del agua de impulsión constante en cualquier régimen de carga. Esto es importante en las instalaciones de refrigeración esencialmente para la deshumidificación. • La temperatura del agua de retorno se puede reducir al mínimo en calefacción y aumentar al máximo en refrigeración. Esto es importante en la calefacción de distrito, cuando se utilizan calderas de condensación.
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2. DIFERENTES SISTEMAS DE DISTRIBUCIÓN
Inconvenientes • Las presiones diferenciales sobre los circuitos son esencialmente variables. Esto afecta a la autoridad de la válvula de control y a la estabilidad de los bucles de control que funcionan en modo proporcional, o PI/PID. • El dimensionado de una válvula de dos vías no es fácil, puesto que depende de la ∆H disponible para el circuito. Este valor por lo general se desconoce y es esencialmente variable. • Los circuitos son interactivos. Cuando se cierra una válvula de control, la presión diferencial sobre otros circuitos aumenta. Las válvulas de control correspondientes se deben cerrar para compensar. Si uno o varios bucles son inestables, los problemas de control se pueden extender a todos. • Con una carga normal del 50%, el caudal se reduce al 20% y las presiones diferenciales disponibles en todos los circuitos aumentan considerablemente, con lo que se reduce de forma significativa la autoridad de las válvulas de control, con el consiguiente riesgo de inestabilidad. • Es exigido un caudal mínimo para proteger la bomba, lo que hace necesarias soluciones específicas.
2.2 Caudal constante
∆H
∆H C
∆H
∆H C
C
C
C
C
BPV
Figura 2.02. Ejemplos de distribución a caudal constante.
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BPV
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Ventajas • La altura de la bomba es constante, las pérdidas de carga en las tuberías de distribución también lo son y los circuitos no resultan interactivos. En consecuencia, cada circuito recibe una presión diferencial constante y las condiciones de funcionamiento se mantienen en todas las cargas, lo que es beneficioso para los bucles de control. • El dimensionado de las válvulas de control es fácil. Para una válvula de tres vías en un circuito de derivación se basa en la misma pérdida de carga que para la unidad de terminal, en condición de diseño. Esta pérdida de carga suele ser bien conocida. La autoridad de la válvula de control es constante y, en algunos casos, puede estar cerca de 1. • La temperatura del agua de impulsión es más uniforme para toda la instalación. Inconvenientes • Los costes de bombeo no disminuyen con la carga. • El diseño de todo el sistema de distribución debe tener en cuenta que todos los terminales funcionan al máximo caudal constantemente. No es posible diseñar la instalación con un factor de simultaneidad. • La temperatura del agua de retorno no se reduce al mínimo en calefacción ni aumenta al máximo en refrigeración. Las compañías de calefacción/refrigeración de distrito no aprecian este hecho. En calefacción, una temperatura del agua de retorno más alta no es adecuada para las calderas de condensación, ni en sistemas de cogeneración. • Cuando hay varias unidades de producción funcionando en secuencia, los caudales de producción y distribución no son compatibles a cargas parciales. Esta diferencia genera un punto de mezcla y la temperatura del agua de impulsión no se puede mantener constante, lo que causa problemas en los sistemas de refrigeración. La elección entre un sistema de distribución a caudal constante o variable depende del uso que se dé a la instalación y de la importancia asociada a las ventajas y desventajas específicas.
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3. RAZONES PARA UTILIZAR CONTROLADORES DE PRESIÓN DIFERENCIAL
3. Razones para utilizar controladores de presión diferencial 3.1 Comprobación del control proporcional preciso y estable 3.1.1 EL BUCLE DE CONTROL 3.1.1.1- Elementos de un bucle de control En las instalaciones de calefacción y aire acondicionado, los bucles de control modifican una temperatura o un caudal con el fin de influir sobre el sistema en el que se quiere controlar un parámetro físico (por ejemplo, la temperatura). El grado de efectividad del bucle de control depende de la combinación de seis elementos interactivos que lo componen. 1. El sensor detecta la variable a controlar, como la temperatura ambiente o la temperatura del agua de impulsión. 2. El controlador compara el valor medido con el de consigna. En función de la diferencia entre estos dos valores, el controlador reacciona, dependiendo de su naturaleza, (por ejemplo, todo-nada ó PID) y actúa sobre el motor de la válvula. 3. El motor se posiciona en un punto de acuerdo con las instrucciones recibidas del controlador 4. La válvula de dos o tres vías controla el caudal y, en consecuencia, la cantidad de energía que se transmite al sistema para compensar las perturbaciones. 5. La unidad de terminal transmite esta energía al sistema controlado. 6. El sistema controlado es la zona en la que está colocado el sensor. Valor de consigna U
Controlador
Sensor k1
Perturbaciones
x
k2 ∆x=U–x
Actuador Señal 0–10v.
k3
Válvula Carrera 0–100%
k4
Terminal
Caudal 0–100%
k5
Local Emisión 0–100%
Figura 3.01. Los seis elementos del bucle de control interactúan entre sí.
El controlador es el cerebro del bucle de control. Para obtener una unión estable, el principio de control seleccionado debe adecuarse al diseño del sistema.
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Los controladores se dividen en dos clases: discontinuos y continuos (controladores modulantes). Los controladores de todo/nada pertenecen a la clase de los controladores discontinuos. En calefacción, si hace demasiado calor, la válvula de control se cierra totalmente y cuando hace demasiado frío se abre completamente. Independientemente de si la válvula está abierta o cerrada, siempre se suministra excesivo o insuficiente calor y la válvula controlada no puede lograr un estado estable. Ésta oscila continuamente entre un valor máximo y un valor mínimo. Se puede lograr un mayor confort con un control modulante basado en el modo proporcional, lo que también reduce el consumo de energía. 3.1.1.2 Control proporcional Un controlador proporcional abre o cierra la válvula de control en proporción a la diferencia entre esta válvula y el valor de consigna. La válvula de control “busca” posiciones estables que corresponden a un equilibrio energético. De este modo, la temperatura del aire de impulsión y la temperatura ambiente se estabilizan, lo que aumenta considerablemente el confort. En la figura 3.02 se muestra un bucle de control de un nivel que utiliza un controlador proporcional. El nivel H normalmente se debe mantener constante actuando sobre el caudal de impulsión Y, que está diseñado para compensar las perturbaciones Z. Cuando el nivel H disminuye, el flotador B desciende y abre proporcionalmente la válvula de control V. El sistema encuentra un estado de equilibrio cuando los caudales Y y Z son iguales. Cuando Z = 0, el nivel de agua aumenta hasta llegar al nivel Ho, lo que hace que Y= 0. Cuando Z = máx, se logra un equilibrio estable con el flotador en Hm, lo que se consigue cuando la válvula de control está totalmente abierta. V
Y
Ho PB banda proporcional
B
Hm H
Z
Figura 3.02. Principio del control proporcional.
Esto, por lo tanto, da valores estables al nivel que se encuentra entre los límites Ho y Hm. La variación Ho – Hm del valor controlado, que determina el ajuste de la válvula, entre la posición cerrada y la posición totalmente abierta, se denomina banda proporcional (PB). Las condiciones de nivel de equilibrio, dependiendo de la perturbación Z, siempre están situadas dentro de esta banda.
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3. RAZONES PARA UTILIZAR CONTROLADORES DE PRESIÓN DIFERENCIAL
Al mover el flotador hacia el punto de rotación del brazo de la palanca, la banda proporcional se reduce. Con ello disminuye la variación de nivel necesaria para abrir totalmente la válvula. Sin embargo, entonces una pequeña diferencia de nivel conduce a una gran variación del caudal Y y una reacción más fuerte que la perturbación. Esto crea una perturbación inversa mayor. El bucle se vuelve inestable y funciona en todo/nada, con un rendimiento bajo. El sistema que se muestra en la figura 3.02 es similar a un sistema de control de temperatura ambiente donde: Z = Pérdidas/ganancias de calor. Y = Emisión de la batería. H = Temperatura ambiente. En este caso, la banda proporcional equivale a la variación de temperatura ambiente necesaria para mover la válvula de control desde la posición cerrada a la totalmente abierta. En refrigeración, con un valor de consigna de 23°C y una banda proporcional de 4°C, la temperatura ambiente será de 25°C a plena carga y de 21°C sin carga. Una banda proporcional de 4°C significa que la válvula se abre un 25% cuando la temperatura aumenta en 1°C. La ganancia k2 del controlador corresponde a este valor de 25%/°C. Sin embargo, la potencia de entrada física real en la habitación es la potencia administrada por la unidad terminal. La ganancia efectiva entre la desviación de la temperatura ambiente y la potencia emitida del terminal es: k2 (controlador) × k3 (motor) × k4 (válvula) × k5 (terminal) = k. (véase la figura 3.01). Si la ganancia “k” es demasiado alta, el bucle de control es inestable. Si la ganancia “k” es demasiado baja, el control no es preciso. Esta ganancia se debe seleccionar en el valor más alto posible sin provocar un control inestable. Es importante mantener la ganancia “k” lo más constante posible para evitar un funcionamiento inestable en algunas condiciones e imprecisión en otras. La ganancia k4 (figura 3.01) define la relación entre el caudal y la carrera de la válvula. Depende de: 1. La característica de la válvula 2. El dimensionado de la válvula de control 3. La presión diferencial (∆p) sobre la válvula de control Como se muestra en la sección 3.1.1.3 siguiente, la falta de linealidad de la unidad terminal se puede compensar por medio de una característica adecuada de la válvula de control, con el fin de mantener el producto de k4.k5 constante. No obstante, la ganancia k4 cambia con la presión diferencial sobre la válvula de control. Para eso no existe compensación y la única solución es estabilizar esta presión diferencial con un controlador local.
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3.1.1.3 Característica de la válvula de control La relación obtenida entre el caudal de agua y la carrera de la válvula, a presión diferencial constante, define la característica de una válvula de control. Estas dos magnitudes se expresan como porcentaje de los valores máximos. Para una válvula con característica lineal, el caudal de agua varia en proporción lineal a la carrera de la válvula. A cargas pequeñas y medianas, debido a la característica no lineal de las unidades terminales (figura 3.03a), una ligera apertura de la válvula de control puede aumentar notablemente la emisión. Por lo tanto, existe el riesgo de que el bucle de control pueda volverse inestable con cargas bajas. La característica de la válvula de control se selecciona para compensar la falta de linealidad de la unidad de terminal, de forma que la emisión de dicha unidad sea proporcional a la carrera de la válvula. Emisión de calor en %
Caudal en %
Emisión de calor en % 100
100
100
90
90
90
80
80
80
70
70
70
60
60
50
a
+
40
30
20
20
0
Caudal en % 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
Emisión típica de una batería de frío
=
40
30 10
60
b
50
50
c
40 30 20
10
Carrera en %
0
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
Válvula de característica IPM
10 0
Carrera en %
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
Combinación de ambas características
Figura 3.03. Selección de la característica de la válvula de control (centro) para compensar el terminal (izquierda) de forma que se produzca una relación lineal entre la emisión y la carrera (derecha).
Si la potencia de una unidad terminal es del 50% de su valor nominal cuando se alimenta con un 20% de su caudal nominal, la válvula puede diseñarse de forma que permita solamente un 20% del caudal cuando está abierta un 50%. Por tanto, se obtiene un 50% de emisión de calor cuando la válvula está abierta un 50% (figura 3.03c). Ampliando este razonamiento a todos los caudales, podemos obtener una válvula con una característica que compense la no linealidad de la unidad de terminal controlada. Esta característica (figura 3.03b) se denomina igual porcentaje modificado IPM (equal percentage modified, EQM). Para que esta compensación sea efectiva, deben cumplirse dos condiciones: • La presión diferencial sobre la válvula de control debe ser constante. • El caudal de diseño se debe obtener cuando la válvula de control está totalmente abierta. Una vez que se ha seleccionado una válvula de control y determinado su caudal de diseño, la presión diferencial sobre ella, cuando está totalmente abierta, se puede calcular y definir correctamente. Si esta presión diferencial no es constante, o si la válvula está sobredimensionada, la característica de la válvula de control se distorsiona y el control proporcional puede verse afectado. 12
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3. RAZONES PARA UTILIZAR CONTROLADORES DE PRESIÓN DIFERENCIAL
3.1.1.4 Autoridad de la válvula de control Cuando se cierra la válvula de control, el caudal y la pérdida de carga se reducen en los terminales, tuberías y accesorios. Esto provoca una presión diferencial más alta sobre ella con lo que la característica de dicha válvula se distorsiona. Esta distorsión de la característica de la válvula de control se representa por su autoridad β, que se define como: ∆pVc (Pérdida de carga en la válvula de control totalmente abierta y el caudal de diseño)
β = Autoridad de la válvula =
∆p válvula cerrada
El numerador es constante y depende únicamente de la elección de la válvula de control y del valor del caudal de diseño. El denominador corresponde a la ∆H disponible para el circuito. Una válvula de equilibrado instalada en serie con la de control seleccionada, no cambia ninguno de estos dos factores y, en consecuencia, no influye en la autoridad de la válvula de control. En una distribución de retorno directo (figura 3.04a), los circuitos remotos experimentan los cambios de ∆H mayores. La peor autoridad de la válvula de control se obtiene cuando la distribución funciona a caudales pequeños o, en otras palabras, cuando la válvula de control está sometida prácticamente a toda la altura de bomba. Emisión % 100
B' Pequeñas cargas F'
F
Cálculo
to 50 40
A' E
E
30
Válvula de característica: IPM φ = 0.33 R = 25
20
A A'
70 60
∆H
A
∆H x 4
80
is
∆p disponible por cálculo
Carg a 10 0%
B' ∆H
∆H x 10
90
B
Carg a 10 0% F
Pr ev
B
10
E'
Carrera de la válvula de control
0 0
a- Bomba de velocidad constante
10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
b- Bomba de velocidad variable c- Distorsión de la característica de la válvula
Figura 3.04. Por diseño, autoridad de válvula de control = 0,25. Cuando la carga media de la instalación cambia, la presión diferencial ∆H sobre el circuito cambia también y distorsiona la característica de la válvula de control.
Si una bomba de velocidad variable mantiene la presión diferencial constante cerca del último circuito (figura 3.04b), el problema de la ∆H variable se refleje en el primero (más detalles en la sección 5.3). En la figura 3.04c se muestra la relación, por el cálculo, entre la potencia emitida y la carrera de la válvula de control siendo (IPM), EQM. Esta válvula se ha seleccionado para obtener, estando totalmente abierta, el caudal de diseño y con una autoridad de 0,25. Cuando la ∆H aplicada al circuito aumenta, la autoridad de la válvula de control disminuye y la característica de dicha válvula puede deformarse de tal manera genere una inestabilidad del bucle de control.
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Como norma general, se dimensionan válvulas de control de dos vías totalmente abiertas y con caudal de diseño para una pérdida de carga igual o superior al 25% de la ∆H máxima (generalmente la altura de la bomba) que se puede aplicar sobre la válvula de control. Para poder seleccionar pérdidas de carga más altas en las válvulas de control, la ∆H de diseño debe ser suficientemente alta. Esta condición no siempre se cumple, porque aumentará la altura de bomba necesaria y, en consecuencia, los costes de bombeo. Ejemplo: En la tabla siguiente, se examinan tres casos para la misma instalación. La altura de la bomba se selecciona para satisfacer la necesidad del circuito más desfavorable. En el primer caso, la altura de la bomba es de 180 kPa y la autoridad mínima de la válvula de control es solamente de 45/180 = 0,25. Para obtener una autoridad de 0,5 (segundo caso), la ∆p tanto de la bomba como de la válvula de control se debe aumentar en 90 kPa. En este caso, la pérdida de carga de diseño de la válvula de control será de 135 kPa, lo que requiere un diseño especial. El riesgo de ruido aumenta. Para el tercer caso, un controlador ∆p estabiliza la ∆p sobre la válvula de control (figura 4.07). La autoridad de la válvula de control es superior a 0,7 y la altura de bomba necesaria se reduce al mínimo imprescindible. Unidad de terminal
Distribución
Altura de bomba
Autoridad β
Válvula de control
Controlador ∆p
1
45
Ninguno
40
95
180
45/180 = 0.25
2
135
Ninguno
40
95
270
135/270 = 0.5
3
20
10
40
95
165
20/(1.4x20) = 0.71
kPa
kPa
kPa
kPa
kPa
Véase la figura 4.02a
¿Es esencial el control de la presión diferencial en todos los sistemas de caudal variable? El control de presión diferencial puede evitar frecuentes problemas de funcionamiento en los sistemas de caudal variable. Posiblemente los dos más frecuentes son: • Cuando una válvula de control (todo/nada o modulante) está sometida a una presión diferencial demasiado alta, no se puede cerrar con riesgo además de generar ruido. El control de presión diferencial puede limitarla localmente a un nivel adecuado • Cuando una válvula de control proporcional está sometida a grandes cambios de presión diferencial, su autoridad puede reducirse tanto que el control de temperatura se vuelva inestable o impreciso. El control de presión diferencial garantiza que la autoridad de la válvula de control sea suficiente para un control estable y preciso.
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3. RAZONES PARA UTILIZAR CONTROLADORES DE PRESIÓN DIFERENCIAL
Una forma de determinar si el control de presión diferencial es esencial para un control de temperatura preciso y estable consiste en fijar la autoridad de la válvula de control mínima aceptable (0,25, por ejemplo). Se calcula la autoridad de todas las válvulas de control y se adopta el control de presión diferencial, si muchas de las autoridades calculadas son inferiores al nivel aceptable. Otra forma mucho más sencilla consiste en comparar la presión diferencial de diseño que debe estar disponible para el circuito más remoto, con la altura de bomba. Como norma, el control de presión diferencial es esencial en un sistema de distribución a caudal variable, si la relación C es inferior a 0,4: C=
∆p de diseño sobre el circuito más alejado Altura de bomba de diseño
Ejemplo: Supongamos que, en condiciones de diseño, la altura de bomba en una instalación es de 100 kPa, la presión diferencial sobre el circuito más desfavorable es de 40 kPa y que 25 kPa de esos 40 kPa se aplican sobre la válvula de control. Su autoridad por cálculo es entonces 25/40 = 0,625. La relación C es 40/100 = 0,4 y la pérdida de carga por cálculo en la tubería es de 100 – 40 = 60 kPa. A primera vista parece que la autoridad de la válvula es suficiente. Pero, para un caudal total medio del 20% en la instalación (50% de carga), la altura de bomba aumenta hasta 130 kPa y la pérdida de carga en la tubería se reduce en un factor de 25. Es decir a 60/25 = 2,4 kPa. La presión diferencial sobre el circuito más desfavorable es ahora de 130 – 2,4 = 127,6 kPa (3,2 veces más alta que en condiciones de diseño). La presión diferencial sobre la válvula de control totalmente cerrada es de 127,6 kPa (5,1 veces más alta que el valor de diseño). La autoridad de la válvula de control cae a 25/127,6 = 0,2, un tercio de la autoridad en condiciones de diseño. Por tanto, para una instalación con C=0,4, una autoridad de válvula de control correcta en condiciones de diseño (0,625) se reduce a 0,2 cuando el caudal medio es el 20% de este valor. Por esto, se puede considerar que C=0,4 es el límite por debajo del cual los controladores de presión diferencial locales son esenciales para un control preciso y estable. ¿Cuáles serán las consecuencias de una autoridad insuficiente para la válvula de control? Para una carga media del 50%, que representa la situación más común, el caudal de agua se reduce desde el 100 al 20% (figura 3.03a). Las pérdidas de carga en las tuberías y accesorios se vuelven insignificantes y las presiones diferenciales sobre los circuitos aumentan notablemente. La autoridad de las válvulas de control se reduce por debajo de su valor de diseño. Las válvulas de control se ven obligadas a funcionar con una pequeña apetura, lo que hace que el control proporcional no exista.
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Mínima emisión controlable %
Banda proporcional relativa
Para una autoridad de 0,1, la carga mínima controlable es aproximadamente del 32% (figura 3.05 derecha). Por debajo de esta carga, la válvula de control funciona en modo todo/nada. Téngase en cuenta que en la mayoría de los países, las instalaciones de HVAC funcionan por debajo de esta carga mínima durante más del 35% de los períodos de refrigeración y calefacción. 3.5 3.0 2.5 2.0 1.5 1.0 0.5 0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1.0
40 35 30 25 20 15 10 5 0 0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1.0
Autoridad de la válvula
Autoridad de la válvula
Figura 3.05. Para conseguir un control estable, la banda proporcional relativa necesaria aumenta cuando la autoridad disminuye. Por debajo de una carga mínima determinada, el control se vuelve inestable
Supongamos que la banda proporcional necesaria es igual a 1 para una autoridad de 1. En la figura 3.05 anterior se muestra que esta banda proporcional aumenta cuando la autoridad de la válvula de control disminuye. Para una autoridad de 0,1, la banda proporcional relativa se debe multiplicar por 3. Si la banda proporcional necesaria es, por ejemplo, de 2°C con una autoridad de válvula de 1, sería de 6°C para una autoridad de 0,1. En este caso, la temperatura ambiente oscilará en ± 3°C alrededor del valor de consigna. Podemos pensar que la función integral de la mayoría de los controladores compensará estas desviaciones mediante el reajuste lento del controlador proporcional. Sin embargo, una función integral sólo puede reducir dicha desviación a la mitad y pasados unos 30 minutos. El ejemplo siguiente muestra por qué la función integral no siempre compensa las desviaciones. El sol puede abrasar la fachada de un edificio de 50 plantas con un máximo de 10.000 kW. Si se esconde detrás de una nube, la ganancia de calor puede disminuir rápidamente hasta 1.000 kW para volver a aumentar a 10.000 kW tan pronto como la nube desaparece. La temperatura ambiente cambia radicalmente y la función integral no tiene tiempo suficiente para intervenir. Al contrario, la función integral puede crear una sobremodulación para intentar compensar la primera perturbación cuando se produce la contraria. En consecuencia, es esencial garantizar una autoridad correcta para las válvulas de proporcionales. Esto evita que los controladores PID sofisticados funcionen en modo todo/nada.
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Sida 17
3. RAZONES PARA UTILIZAR CONTROLADORES DE PRESIÓN DIFERENCIAL
En un caudal variable, la estabilización de la presión diferencial sobre las válvulas de control con un controlador de presión diferencial automático asegura una autoridad correcta. Esto permite que el controlador de temperatura controle realmente en el modo de modulación.
26 25 24 23 22 21 20 19 18 0
10
20
30
40
50
60
Temperatura ambiente tº
Temperatura ambiente tº
Si no se adopta la banda proporcional necesaria, el bucle de control funcionará en modo todo/nada. En refrigeración, un control todo/nada no puede estabilizar la temperatura ambiente que oscila, por ejemplo, entre 21°C y 25°C. Obviamente esto resulta bastante incómodo. ¿Qué debe hacer el usuario para evitar un sobrecalentamiento temporal? Bajar la consigna del termostato de la habitación en 2°C, lo que aumenta el consumo de energía en un 20 o 30% (véase la sección 5.4). 26 25 24 23 22 21 20 19 18 0
10
20
30
40
50
60
El usuario rebaja la consigna
Tiempo – Situación inicial
Figura 3.06. Para compensar el sobrecalentamiento, el usuario baja la consigna del termostato de la habitación.
La consecuencia final de una autoridad de válvula baja es un confort interior costoso e incómodo La autoridad de la válvula de control depende básicamente de su dimensionado. Por ello es importante describir cómo debe dimensionarse. 3.1.1.5 Dimensionado de una válvula de control de dos vías Una válvula de control crea una pérdida de carga en el circuito hidráulico para limitar el caudal de agua al valor necesario. Esta pérdida de carga depende del caudal y del coeficiente de la válvula Kv que representa indirectamente la sección de paso de la válvula. Para un líquido con una densidad relativa de 1, la relación entre el caudal, Kv y Dp (en kPa) se muestra a continuación: Caudal de agua en l/h: q = 100 × Kv √ ∆p
Caudal de agua en l/s: q =
Kv × ∆p 36 √
∆p = (0.01 ×
∆p = (36 ×
q )2 Kv
q )2 Kv
Kv = 0.01 ×
Kv = 36 ×
q √∆p q
√∆p
El dimensionado de la válvula de control implica la elección del Kvs de válvula más adecuado para la aplicación específica, de entre los Kvs (Kv máxima) comercializados. 17
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Sida 18
EQUILIBRADO HIDRÁULICO CON CONTROLADORES DE PRESIÓN DIFERENCIAL
V q ∆H C STAD
Figura 3.07. Válvula de control de dos vías.
La elección del Kv de la válvula de control Kv se basa en una pérdida de carga ∆pV, donde ∆pV = ∆H – ∆pC – 3 kPa ∆H = Presión diferencial sobre el circuito en condiciones de diseño ∆pC = Pérdida de carga en la unidad terminal y accesorios para el caudal de diseño 3 kPa = Pérdida de carga mínima para la válvula de equilibrado, que permite la medición precisa del caudal Basándose en una pérdida de carga de diseño teórica ∆pV, el valor Kv de la válvula de control se calcula por medio de las fórmulas anteriores. El valor Kv adoptado es el valor inmediato superior comercializado. La autoridad de la válvula de control es una consecuencia de su dimensionado y corresponde a la relación ∆pVc/∆Hmáx. Este valor debe ser ≥ 0,25. Si no es éste el caso, hay que aumentar la altura de la bomba de forma que sea posible seleccionar una válvula con un valor Kv más pequeño, lo que posibilita esta condición; o es necesario instalar un controlador ∆p local (sección 4.2.3) para reducir localmente la ∆Hmáx para la misma ∆pVc. Ejemplo: Presión diferencial ∆H = 55 kPa. Para un caudal de agua de cálculo de 500 l/h, la pérdida de carga en la unidad de terminal C es de 10 kPa (incluidas las pérdidas de carga en las conexiones, tuberías y accesorios).
18
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Sida 19
3. RAZONES PARA UTILIZAR CONTROLADORES DE PRESIÓN DIFERENCIAL
¿Cuál es la pérdida de carga ∆pV necesaria en la válvula de control? ∆pV = 55 – 10 = 45 kPa menos un mínimo de 3 kPa para la válvula de equilibrado. Esto hace ∆pV = 42 kPa. En este ejemplo, Kvs = 0.01 ×
500
= 0.77
√42 Este valor Kvs no existe en las gamas comerciales estándar. Los valores Kvs disponibles son: 0.1 – 0.16 – 0.25 – 0.4 – 0.6 – 1 – 1.6 – 2.5 – 4… Se adopta el valor Kvs = 1 más próximo al requerido. La pérdida de carga de diseño en la válvula de control para este Kvs es:
(
∆pVc = 0.01 ×
q icfc Kv
) ( 2
= 0.01 ×
500 icfcc 1
)
2
= 25 kPa
La autoridad de la válvula de control es de 25/55 = 0,45. Para obtener el caudal de diseño con la válvula de control totalmente abierta, de equilibrado genera la diferencia 55 – 10 – 25 = 20 kPa. Esto no cambia la autoridad de la válvula de control. La autoridad calculada anteriormente es la de diseño, que tiene en cuenta el factor de sobredimensionamiento (Kvs = 1 en lugar de 0,77). No obstante, sin una estabilización local de la presión diferencial, esta autoridad puede disminuir enormemente debido a presiones diferenciales más altas que se aplican efectivamente sobre el circuito cuando la instalación funciona a cargas reducidas. 3.1.2 COMPORTAMIENTO DE UN SISTEMA DE DISTRIBUCIÓN A CAUDAL VARIABLE, EJEMPLO DE INSTALACIÓN En un sistema de distribución a caudal variable, la presión diferencial sobre los circuitos es esencialmente variable. Para ver lo que esto significa en la práctica, examinaremos distintos aspectos de una instalación de refrigeración sencilla con 10 unidades terminales idénticas. Comenzando por el funcionamiento de la instalación en condiciones de diseño y con una bomba de velocidad constante, estudiaremos la evolución de la autoridad de una de las válvulas de control cuando la instalación funciona con cargas parciales. La instalación se mejorará mediante el uso de una bomba de velocidad variable en la distribución o de controladores ∆p locales que estabilizan la presión diferencial sobre las válvulas de control. Los pasos son los siguientes: 1- La instalación en condiciones de diseño 2- ¿Qué ocurre cuando se cierra una válvula de control? 3- La instalación funciona con un caudal medio total del 50% (80% de carga de diseño) 4- Utilización las bombas de velocidad variable 5- Utilización los controladores ∆p locales 6- Comparación de los resultados
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Sida 20
EQUILIBRADO HIDRÁULICO CON CONTROLADORES DE PRESIÓN DIFERENCIAL
3.1.2.1 Instalación en condiciones de diseño
93 kPa
3
98 kPa
103 kPa
108 kPa
8
113 kPa 19 kPa
G
58 kPa
H
63 kPa
20
I
68 kPa
20
13
18 30
E J
23
8
30
D
18
3
30
C
13
30
30
20
70
J
53 kPa
B
70
I
F 20
70
H
qA
A
70
G
N
20
70
F
73 kPa
23
20
A 20
B 20
C 20
D 20
E
S
qT 3 kPa
43 kPa
M 200 kPa
R
L
K
161 kPa
81 kPa
Figura 3.08. Instalación de refrigeración funcionando en condiciones de diseño.
Dos enfriadoras con su propia bomba sirven a una instalación con dos columnas e idénticas unidades terminales. Un bypass MN impide cualquier interactividad entre las enfriadoras y la distribución. Una bomba de velocidad constante genera el caudal de agua de la distribución. Las válvulas de control de dos vías determinan el caudal de agua en las unidades terminales para mantener las temperaturas ambiente constantes. El equilibrado hidráulico se obtiene con válvulas de equilibrado manual. Todos los demás componentes no se representan para simplificar la ilustración. Para el caudal de diseño, las válvulas de control comercializadas tienen, por ejemplo, una pérdida de carga de 13, 30, 70 o 160 kPa. Consideramos que el diseñador ha elegido válvulas de control con una pérdida de carga de diseño de 30 kPa para la columna más alejada, mientras que la primera columna está equipada con válvulas de control que tienen una pérdida de carga de 70 kPa. Cuando todas estas cierran, la altura de bomba es 266 kPa.
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Sida 21
3. RAZONES PARA UTILIZAR CONTROLADORES DE PRESIÓN DIFERENCIAL
Las válvulas de equilibrado permiten el caudal de diseño en cada terminal, lo que evita: • Un exceso de caudal en ciertos circuitos, que provoca subcaudal en otros • Un exceso de caudal general qT, hace que el de distribución sea incompatible con el de producción. Este exceso crearía un caudal de retorno en el bypass MN (figura 3.08) con un punto de mezcla en M y un aumento de la temperatura del agua de impulsión. En consecuencia, la potencia máxima instalada no se podrá transmitir. Este fenómeno se examina con detalle en el manual 2. La finalidad de las válvulas de equilibrado es obtener los caudales correctos en condiciones de diseño, garantizando que todas las válvulas de control puedan obtener, al menos, su caudal de diseño en todas las demás condiciones. Una válvula de equilibrado lleva incorporada una válvula de corte con memoria mecánica de la posición de ajuste y es además, una herramienta de diagnóstico que permite la medición del caudal. 3.1.2.2 ¿Qué ocurre cuando la válvula de control del terminal “A” se cierra? 90
F 113 kPa
3
90
G 118 kPa
90
H 123kPa
13
90
I 128 kPa
18 90
J 133 kPa 15 kPa
N
8
23
20
qA
A F
118 kPa
20
118 0
90
B G
118 kPa
20
8
86
C H
119 kPa
20
13
83
D I
121 kPa
20
18 81
E J
124 kPa
23
S
qT 2 kPa
43 kPa
M 212 kPa
R
L
K
181 kPa
129 kPa
Figura 3.09. La válvula de control del terminal A se cierra.
21
0
A 20
B 20
C 20
D 20
E
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EQUILIBRADO HIDRÁULICO CON CONTROLADORES DE PRESIÓN DIFERENCIAL
Cuando la válvula de control del terminal A se cierra, la presión diferencial sobre este circuito A, aumenta de 53 a 118 kPa. Como la ∆p sobre la válvula de control totalmente abierta para el caudal de diseño son 30 kPa, la autoridad de la válvula es 30/118 = 0,25 y no 30/53 = 0,57 (figura 3.08) como se podría esperar a primera vista. Las presiones diferenciales sobre los demás terminales aumentan considerablemente, lo que indica una fuerte interactividad entre las unidades terminales. Esta interactividad es importante en este ejemplo, puesto que cada circuito representa un 10% del caudal total. ∆p en circuito A + válvula de control A 140 S
120
Autoridad de la válvula = UV/ST = 30/118 = 0,25
100 80 U
60 40
V
20
∆p circuito = 23
T 0 0
∆p cálculo válvula de control = 30
10 20 30 40 50 60 70 80 90
100 Caudal de circuito A
Figura 3.10. Cuando la válvula del circuito A se cierra (figura 3.09), la presión diferencial aplicada sobre este circuito aumenta de 53 a 118 kPa mientras que el resto de la instalación permanece con caudal de diseño.
Con una autoridad de 0,25, la relación entre la carrera de la válvula y la potencia emitida se distorsiona. Para una válvula de característica lineal, correctamente dimensionada, y abierta en 20% de su carrera máxima, la potencia emitida es ya el 63% del valor de diseño. Emisión Ganancia
100 6
90 80
Válvula IPM
4
is
to
60
Válvula lineal
5
Válvula lineal
70
Pr ev
50
3
40 Autoridad 0,25
30
Autoridad 0,25
2
20 1
10
Válvula IPM
Carrera de la válvula
0
Carrera de la válvula
0 0
0
10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
Figura 3.11. Potencia y ganancia respecto a carrera de la válvula en condición de diseño para el terminal A.
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Sida 23
3. RAZONES PARA UTILIZAR CONTROLADORES DE PRESIÓN DIFERENCIAL
En la figura 3.11 izquierda se muestra la relación entre la potencia emitida y la carrera de la válvula. Para el circuito A, con una válvula lineal (figura 3.11 de la derecha), la ganancia máxima k4 × k5 = 6 (véase la sección 3.1.1.1). Para compensar esta situación de alta ganancia, la banda proporcional del controlador debe multiplicarse por el mismo factor (6), lo que reduce enormemente la precisión en el control de temperatura ambiente. La característica EQM es mucho mejor, pero una autoridad de 0,25 es el valor más bajo aceptable, puesto que la emisión ya es del 32% para una carrera del 20%. La situación empeorará cuando la instalación funcione con cargas medias y pequeñas. Entonces, las presiones diferenciales sobre las válvulas de control aumentan, reduciendo más su autoridad. 3.1.2.3 Caudal medio total del 50% (80% de la carga de diseño) 217
F 223 kPa
1 217
G 224 kPa
2 217
H 225 kPa
3 217
I 227 kPa
5 217
J 228 kPa 5 kPa
N
6
5
F
qA
A
213 kPa
207 1
5
G
207
B 214 kPa
2
5 207
C H
215 kPa
5
3
207
D I
217 kPa
5
5 207
E J
218 kPa
6
5
A 5
B 5
C 5
D 5
E
S
qT 1 kPa
11 kPa
M 250 kPa
R
L
K
240 kPa
220 kPa
Figura 3.12. Caudal total qT = 50% de diseño.
Cuando la instalación funciona con una carga que corresponde al 80% del valor de diseño, el caudal de agua total disminuye al 50% (figura 3.03a). La altura de la bomba aumenta de 200 a 250 kPa y las pérdidas de carga en las tuberías y accesorios disminuyen en un 75%. Esta situación se representa en la figura 3.12. Las presiones diferenciales sobre las válvulas de control aumentan enormemente y su autoridad disminuye. Esta situación se puede analizar para el circuito A en la figura 3.13.
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Sida 24
EQUILIBRADO HIDRÁULICO CON CONTROLADORES DE PRESIÓN DIFERENCIAL
∆p en circuito A + válvula de control A
260
Autoridad de la válvula = UV/ST = 30/229 = 0,13
229 240
S
Instala ción a l 50% del ca udal to tal
220 200
192
213
180 160 140 Inst alac ión en
100 80
∆p en la válvula de control A
con dicio nes de d iseñ o
60
U ∆p diseño para la válvula de control = 30 V ∆p circuito = 23
40 20 T 0 0
Caudal del circuito qA en %
10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
Figura 3.13. Toda la instalación funciona uniformemente al 50% del caudal de diseño total. La válvula de control A se abre desde 0 hasta el caudal de diseño.
Con una válvula de característica lineal, el 78% de la potencia máxima ya se obtiene para una apertura de la válvula del 20% (figura 3.14A). 100
100 Emisión
90 80
Emisión
90 80
Válvula lineal
70
Válvula lineal
70 Válvula IPM
Pr ev is to
50
Válvula IPM
60 Pr ev is to
60
50 A
40
J
40 Autoridad 0,13
30
Autoridad
30
20
20
10
10 Carrera de la válvula
Carrera de la válvula
0
0 0
0
10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
Figura 3.14. Potencia respecto a altura de la válvula para terminales A y J – qT = 50%.
Con la característica EQM, el control del terminal A es mucho mejor, pero sigue siendo difícil, mientras que el terminal J es susceptible de ser controlado (figura 3.14 derecha). Las válvulas de control se han seleccionado en los mejores valores posibles y aún así, sigue siendo difícil obtener un control estable de las unidades terminales sin un aumento considerable de la banda proporcional de los controladores. Esto no permite un rendimiento óptimo. Imaginemos lo que ocurriría si las válvulas de control no estuvieran bien dimensionadas. 24
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Sida 25
3. RAZONES PARA UTILIZAR CONTROLADORES DE PRESIÓN DIFERENCIAL
Si todas las válvulas de control tienen una característica adecuada y una pérdida de carga de diseño al menos igual al 25% de la altura máxima de bomba, las condiciones de funcionamiento son correctas y la instalación se puede equilibrar en las condiciones de proyecto con válvulas de equilibrado. Puesto que la falta de caudal se evita para estas condiciones ocurrirá a cargas parciales, porque la presión diferencial sólo puede aumentar cuando la carga disminuye. Si no se puede obtener una autoridad mínima de 0,25, la situación se puede mejorar con bombas de velocidad variable. En muchos países, la carga de refrigeración media es aproximadamente 50% del diseño con un caudal de agua medio del 20%. En estos casos, las pérdidas de carga en tuberías y accesorios son sólo el 1/25 de sus valores de cálculo y resultan insignificantes. Por tanto, los circuitos se someten directamente a la altura de bomba total. Las válvulas de control tratan de modular el caudal, en posiciones prácticamente cerradas. 3.1.2.4 Utilización de bombas de velocidad variable 153
F 159 kPa
1 153
G 160 kPa
2 153
H 161 kPa
3 153
I 163 kPa
5 153
J 164 kPa
6
5
F
qA
A
149 kPa
5
G
143 1
143
B 150 kPa
5
2
143
C H
151 kPa
5
3
143
D I
153 kPa
5
5 143
E J
154 kPa
6
5
A 5
B 5
C 5
D 5
E
S
qT
N 1 kPa
11 kPa
M 181 kPa
R
L
K
176 kPa
156 kPa
Figura 3.15. La bomba de velocidad variable funciona con una altura manométrica constante y qT = 50%.
Una bomba de velocidad variable sustituye a la bomba de velocidad constante de la figura 3.08.
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Sida 26
EQUILIBRADO HIDRÁULICO CON CONTROLADORES DE PRESIÓN DIFERENCIAL
Cuando la instalación funciona con un caudal medio total del 50%, la altura de bomba permanece inalterable. La pérdida de carga sobre la válvula de control A totalmente cerrada disminuye de 229 kPa (figura 3.13) a 161 kPa (figura 3.16), lo que aumenta su autoridad de 0,13 a 0,19. ∆p en circuito A + válvula de control A
161
180 160 S
Autoridad de la válvula = UV/ST = 30/161 = 0,19
Instalació n al 50 %
140
del caudal total
131
149
120 Insta lació n en
100 80
cond ición de
60
diseñ o
∆p en la válvula de control A
U ∆p diseño de válvula de control = 30 V ∆p circuito = 23
40 20 T 0 0
10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Caudal de circuito qA en %
Figura 3.16. Evolución de ∆p sobre la válvula de control A cuando la instalación funciona con un caudal medio del 50%.
Otras técnicas para controlar la bomba de velocidad variable se examinan en el apéndice 5.3.
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Sida 27
3. RAZONES PARA UTILIZAR CONTROLADORES DE PRESIÓN DIFERENCIAL
3.1.2.5 Utilización de controladores locales de ∆p 5
F 92
80
1
80
1
94
79
1
96
78
1
97
78
1
99
qT
183 kPa
1
37
1
119
36
1
H
121
35
1
I
123
34
1
J
S
C 5
D 5
162 kPa
E
B 5
161 kPa
D
A 5
159 kPa
C
5
181 kPa
J
116
5
181 kPa
I
G
40
158 kPa
B
5
180 kPa
H
112
5
178 kPa
G
F
5
A
E
163 kPa
50% del valor de diseño
189 kPa
R
L
K
184 kPa
164 kPa
Figura 3.17. Un controlador ∆p estabiliza la presión diferencial sobre cada válvula de control. qT = 50% del valor de diseño.
Como en los casos examinados previamente, la ∆p de diseño sobre las válvulas de control es de 70 kPa para la primera columna y de 30 kPa para la segunda. En la figura 3.17, esta presión diferencial se estabiliza con una válvula de control de presión diferencial automática, STAP. La consigna de cada STAP se selecciona para obtener el caudal de diseño por cada válvula de control totalmente abierta. Esto significa que todas se dimensionan correctamente de forma automática. Para simplificar la figura, sólo se han representado en su totalidad en los circuitos A y F. Con cargas medias y pequeñas, la ∆p sobre las válvulas de control aumenta ligeramente debido a la banda proporcional propia de la STAP, pero la autoridad de la válvula de control permanece siempre alrededor de 0,7 en el peor de los casos.
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Sida 28
EQUILIBRADO HIDRÁULICO CON CONTROLADORES DE PRESIÓN DIFERENCIAL
Ésta es, sin ninguna duda, la mejor solución técnica cuando las presiones diferenciales varían considerablemente con la carga media. Con una autoridad tan buena y una válvula de control de igual porcentaje se obtiene una relación prácticamente lineal entre la carrera de la válvula y la potencia emitida. Las bandas proporcionales se pueden ajustar en valores mínimos, lo que garantiza un clima interior confortable al menor coste posible. Se puede adoptar la misma pérdida de carga para cálculo en todas las válvulas de control (por ejemplo, 30 kPa o menos) sin cambiar esencialmente los resultados. Con STAP en las válvulas de control y para control modulante en las unidades terminales, prácticamente no existe diferencia, desde el punto de vista del control, entre una bomba de velocidad constante y una bomba de velocidad variable. Sin embargo, las bombas de velocidad variable permiten reducir los costes de bombeo. 3.1.2.6 Comparación de resultados y conclusiones ∆p en circuito A + válvula de control A
260
βA = 0.13
229 240
S
220
Instalac ión al 50% de
200
diseño
192 213
180
160 S
140
βA = 0.19
161
180
160
Instalación al 50%
140 Insta
100 80 60
lació
n en
con
∆p en la válvula de control A dició
n de
dise
Insta lació n en
100 80
ño
U
40 20 T
60
U diseño
40
V ∆p circuito
20
0
cond ición de
diseñ o
10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Caudal de circuito qA en %
a- Con bomba de velocidad constante
U
βA = 0.73
140
Insta lació n en
100 80
cond ición de
140
STAP diseñ o
U
60 40
V
20
V
T 0
0
∆p en la válvula de control A
158
Instalac ión al 50 % de dis eño
160 131
149
170
180
de diseño
0 0
10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
0
10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
b- Con bomba de velocidad variable c- Con controlador local de ∆p, STAP
Figura 3.18. Evolución de la presión diferencial sobre la válvula de control A cuando la instalación funciona con un caudal de agua medio del 50%, que corresponde a una carga media del 80%. βA, en la figura, representa la autoridad de la válvula de control A.
Con una bomba de velocidad constante, la presión diferencial sobre la válvula de control varía enormemente. Desde 30 kPa (UV) en condición de diseño, hasta 229 kPa (ST) cuando el caudal de agua medio de la instalación qT es igual al 50% del valor de diseño. Con una bomba de velocidad variable, esta presión diferencial varía entre 30 y 111 kPa. Desde sólo 30 hasta 41 kPa con un controlador local de presión diferencial STAP. En las instalaciones de HVAC, donde las pérdidas de carga en la distribución representan más del 60% de la altura de la bomba, es necesario estabilizar las presiones diferenciales localmente con válvulas de control de presión diferencial automáticas. Algunos usuarios afirman que no aprecian una mejora en el confort cuando utilizan controladores proporcionales en comparación con los controladores todo/nada. Como se ha explicado en esta sección, esto se debe a que las válvulas de control proporcionales, sometidas a grandes cambios de ∆p, sólo funcionan en modo todo/nada.
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3.2 Reducción al mínimo del ruido en las válvulas de control 3.2.1. ALGUNOS TIPOS DE RUIDOS Las válvulas que controlan los caudales de agua con frecuencia emiten ruido. Esto sucede cuando su pérdida de carga supera un valor crítico. La pérdida de carga sobre las válvulas de dos vías utilizadas en los sistemas de calefacción/refrigeración de grandes instalaciones puede ser considerable. El control debería ser silencioso, puesto que dichas válvulas con frecuencia se instalan en lugares próximos a zonas habitadas. El ruido de las válvulas se puede clasificar de la siguiente forma: • Ruido mecánico • Ruido de caudal • Ruido de cavitación El ruido mecánico se produce cuando las piezas de la válvula comienzan a vibrar debido al paso de agua. La tendencia a las vibraciones de una válvula concreta depende del grado de corrección con el que estén guiados el asiento y el vástago dentro del cuerpo de la válvula. Dichas vibraciones pueden destruir rápidamente el asiento y causar fatiga en el vástago. Con una presión diferencial constante, este ruido aumenta cuando la válvula abre, porque el asiento suele estar más holgado en esta posición (con la excepción de la apertura completa de la válvula); pero también porque aumenta el caudal de agua. Con una apertura de válvula constante, el ruido aumenta al hacerlo la presión diferencial sobre ella. El ruido de caudal es un silbido que aumenta con las turbulencias del agua a su paso por la válvula. Obviamente aumenta con la velocidad, pero depende del fluido y de la presión diferencial sobre la válvula de control. Si está bien diseñada, el nivel de ruido normalmente es bajo. El ruido de caudal en las tuberías, codos, cavidades y cambios geométricos repentinos no es insignificante. Con mucha frecuencia se atribuye a la válvula. La existencia de aire en el agua es también una causa frecuente de ruido. Cuando la presión estática disminuye como, por ejemplo, entre la toma y el asiento de la válvula, una parte del aire disuelto en el agua sale creando una emulsión especialmente ruidosa. Las microburbujas se quedan atascadas en las partículas metálicas, se unen y se elevan, siendo la causa de mediciones de caudal incorrectas en las unidades de medición. El ruido de cavitación se produce para un líquido cuando la pérdida de carga sobre la válvula supera un valor crítico. Esto depende del líquido, de su temperatura, del diseño geométrico de la válvula y de la presión estática local.
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La presión total en un punto determinado del sistema corresponde a la presión constante mantenida por el tanque de expansión, la altura de bomba, la pérdida de carga en las tuberías y accesorios y la diferencia de nivel entre el tanque de expansión y el punto considerado. Cuando el líquido pasa a través de la válvula, la velocidad del agua aumenta y, en consecuencia, también lo hace la presión dinámica (que depende del cuadrado de la velocidad). La presión estática disminuye cuando la presión dinámica aumenta y el valor puede descender por debajo de la presión atmosférica. Si la velocidad del fluido es tan grande que la presión estática disminuye al valor de la presión de vaporización, se formarán burbujas de vapor y el líquido comenzará a hervir. Presión estática
Pérdida de carga
Mayor velocidad, menor presión estática
Presión de vaporización
Cavitación
Caudal de agua
Figura 3.19. Cuando la presión estática alcanza el valor de la vaporización, el líquido comienza a hervir. Cuando la presión estática aumenta por encima de la presión de vaporización, las burbujas de vapor se condensan y la válvula cavita.
Una vez que el líquido ha pasado a través de la zona más estrecha de la toma y el asiento de la válvula, la velocidad del caudal disminuye y la presión estática aumenta. Esta presión supera inmediatamente la presión de vaporización y las burbujas de vapor se condensan. La condensación de las burbujas de vapor genera fuertes ondas de choque que pueden erosionar y dañar rápidamente la válvula. Además de reducir la vida útil de la válvula, la cavitación provoca unos niveles de ruido considerables. También puede causar un chirrido que en ocasiones llega a 120 dBA con ondas de presión superiores a 100 bar. A la salida de la válvula de control, la presión estática, en teoría, debe recuperar el mismo valor que tenía en la entrada porque la velocidad del agua y, en consecuencia, la presión dinámica son las mismas. Sin embargo, una parte de la energía se pierde debido a la fricción en la válvula. La presión estática en la salida, por tanto, es más baja que en la entrada. La diferencia es la pérdida de carga en la válvula de control. La energía que corresponde a la pérdida de carga se transforma en parte en ruido. La pérdida de carga es igual a la presión diferencial sobre la válvula de control. Los factores comunes que reducen el riesgo de cavitación son: • Presión estática más alta • Presión diferencial baja sobre la válvula • Temperatura del líquido baja • Diseño de válvula adecuado
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3.2.2. ¿QUÉ SE PUEDE HACER? Como se deduce de este breve repaso, es obvio que la presión diferencial se debe limitar para evitar una velocidad del agua demasiado alta en las válvulas de control. Para una válvula de control determinada, el riesgo de ruido aumenta también con el caudal de agua. Por lo tanto, es esencial que este caudal se limite al valor de diseño mediante un equilibrado hidráulico adecuado. Las válvulas de control tanto proporcionales como todo/nada, están diseñadas para una presión diferencial determinada. No obstante, el ruido puede aparecer incluso con presiones diferenciales inferiores debido a las condiciones de los fluidos y a los diseños específicos de las válvulas. Esto es especialmente molesto cuando las válvulas de control están situadas cerca de los lugares habitados del edificio, que es el caso más frecuente. En las válvulas de radiador diseñadas para una ∆p máxima de 3 bar, por ejemplo, el ruido puede aparecer cuando la ∆p alcanza 20 ó 30 kPa. En condiciones de diseño, no hay problema si las presiones diferenciales son razonables. Pero la instalación funciona principalmente a cargas parciales. Con una carga media del 50% del valor de diseño, el caudal de agua en la distribución es de cerca del 20% del valor de diseño (figura 3.03a). Las pérdidas de carga en las tuberías y accesorios son el 1/25 de las que habría en condiciones de diseño y las presiones diferenciales sobre las válvulas de control son mucho más altas. En esta situación, el ruido en las válvulas de control puede aumentar considerablemente, en particular cuando hay aire en el agua. En el apéndice 5.3, se muestra que una bomba de velocidad variable puede ayudar en alguna medida, pero no resuelve el problema en su totalidad. Una solución práctica al problema del ruido consiste en utilizar válvulas de control de presión diferencial para absorber el exceso de presión, además de purgar el sistema. Puesto que el exceso de presión se transfiere a las válvulas de control de presión diferencial, podría parecer que simplemente hemos trasladado el problema del ruido de una válvula de control a otra. Sin embargo, éste no es el caso, por los siguientes motivos: 1- El exceso de presión se reparte entre las dos válvulas. 2- La válvula de control de presión diferencial posee diseños característicos especiales para reducir el ruido: • Asiento equilibrado. • Constantes de tiempo elevadas para impedir que el asiento vibre a frecuencias audibles. Por estas razones, una válvula de control de presión diferencial reduce eficazmente el ruido generado por las válvulas de control de temperatura.
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3.3 Equilibrado, puesta en marcha y mantenimiento más sencillos Sin controladores de presión diferencial, los diferentes circuitos de los sistemas a caudal variable son interactivos. Esto significa, por ejemplo, que las variaciones del caudal en un bucle de control provocarán presiones diferenciales variables en los demás circuitos. Los bucles de control de estos últimos tratarán entonces de compensar las oscilaciones de la presión diferencial. La sensación será la de un control inestable. Los intentos de solventar esta situación cambiando los parámetros de control (banda proporcional, tiempos de integración y derivación) no resuelven el problema. Para el técnico de control, la situación puede empeorar drásticamente hasta convertirse en una pesadilla. Las válvulas de control de presión diferencial hacen que los circuitos sean independientes unos de otros. Cuando los controladores de presión diferencial protegen los ramales de una instalación, ninguno resulta afectado por las perturbaciones originadas en otros ramales. De esta manera se simplifican el equilibrado y la puesta en servicio. En un gran edificio de apartamentos, por ejemplo, no todos los locales se venden o alquilan al mismo tiempo. Cuando todas las unidades están protegidas por un controlador local de presión diferencial, nuevas unidades pueden entrar en servicio sin afectar a las que ya están en uso (figura 3.20). Otra ventaja es la posibilidad de equilibrar una instalación diseñada con un factor simultaneidad, dado que todas las unidades terminales nunca funcionarán al mismo tiempo a plena carga. Si dicha instalación está equipada con válvulas de equilibrado manual, se necesita un procedimiento especial y no es posible obtener caudales de diseño simultáneamente en todas las unidades terminales. El equilibrado de una instalación con un factor de simultaneidad es sencillo cuando los controladores de presión diferencial hacen que los circuitos sean independientes. Local 1
Local 2 Circuito en espera
Local 3
Terminal
qL1
Local n Circuito en espera
Terminal
qL2
qL3
qLn
Figura 3.20. Cuando un nuevo circuito entra en servicio, los demás no se ven afectados.
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3. RAZONES PARA UTILIZAR CONTROLADORES DE PRESIÓN DIFERENCIAL
Resumiendo, hacer que los circuitos sean independientes unos de otros mediante el uso de controladores de presión diferencial ofrece las siguientes ventajas: 1- No se necesitan otros dispositivos de equilibrado aguas arriba de las válvulas de control de presión diferencial (figura 4.05). 2- Un bucle de control inestable no provocará perturbaciones en otros. 3- Cada ramal puede equilibrarse independientemente. No es necesario volver a equilibrar los circuitos existentes si una instalación se amplía. 4- Es fácil equilibrar una instalación diseñada con un factor de simultaneidad. Instalando válvulas de control de presión diferencial en tándem con válvulas de medición, siempre se pueden conocer los caudales de agua y las presiones diferenciales. Esto es esencial para poder efectuar diagnósticos. En grandes sistemas de distribución para calefacción o refrigeración, una nueva instalación se puede poner en funcionamiento sin que ello afecte a las demás ya en servicio. En algunos casos, el controlador de presión diferencial está asociado a un limitador de caudal. Si el caudal de agua necesario en un edificio supera los niveles previstos, el limitador de caudal reaccionará para evitar este exceso. La presión diferencial disponible disminuirá creando problemas a sus ocupantes. Si el propietario equilibra la instalación cuidadosamente, estos problemas se evitan.
Instalación en espera
Instalación en servicio
Figura 3.21. Se puede poner en servicio una nueva instalación completa sin que ello afecte al resto.
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3.4 Ventajas del control de presión diferencial y resumen Síntomas que indican la necesidad del control de la ∆p
Causas típicas, pero que a menudo se pasan por alto
Contramedidas habituales pero incorrectas
Consecuencias habituales y costosas
Presión diferencial variable: Debido a la baja autoridad de la válvula de control, se distorsiona su característica.
Aumentar la banda proporcional para obtener un control estable.
Control de modulación impreciso. No se alcanza el objetivo de confort.
Circuitos interactivos: Cuando se cierran algunas válvulas de control, aumenta la ∆p sobre otras válvulas de control. Éstas reaccionan para compensar, y la temperatura ambiente fluctúa.
Bajar la cosigna de los termostatos de las habitaciones en refrigeración (aumento en calefacción) para contrarrestar las desviaciones temporales de la temperatura ambiente.
La temperatura ambiente media es inferior en refrigeración y superior en calefacción. Los costes energéticos aumentan un 10–15% por grado ºC en refrigeración y un 5–8% en calefacción.
Las válvulas de control (todo/nada o modulación) de los terminales producen ruido.
Las presiones diferenciales sobre las válvulas de control son excesivas.
Reducir la altura de bomba.
La potencia requerida no está disponible. No se alcanza el objetivo de confort.
Las válvulas de control no se pueden cerrar.
Las presiones diferenciales sobre las válvulas de control son excesivas.
Instalar motores de mayor potencia para las válvulas de control.
Inversión innecesaria.
Las válvulas de control modulantes funcionan en modo todo/nada. Las temperaturas ambiente fluctúan en uno y otro sentido.
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Solución correcta
• Estabilizar ∆p mediante controladores locales de presión diferencial.
Ventajas
• Presión diferencial estable. • Los circuitos no son interactivos. • Pueden utilizarse válvulas de control más económicas. • Menor presión diferencial sobre las válvulas de control.
Beneficios
En funcionamiento: • Control estable y preciso. • Las válvulas de control no generan ruidos. • Mayor confort, menores costes energéticos. En puesta en marcha: • Procedimiento de equilibrado sencillo. • Puesta en marcha sencilla, por fases. • Equilibrado más sencillo una instalación diseñada con un factor de simultaneidad.
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RESUMEN DE ESTA SECCIÓN Los controladores de presión diferencial realizan dos funciones principalmente: 1- Estabilizan la presión diferencial sobre las válvulas de control. 2- Hacen que los circuitos sean independientes unos de otros. Estas dos ventajas funcionales se traducen en tres beneficios claros: 1- El control de ∆p permite un control proporcional preciso y estable. 2- El control de ∆p reduce al mínimo el ruido de las válvulas de control. 3- El control de ∆p simplifica el equilibrado y la puesta en servicio. Control proporcional estable y preciso En instalaciones con un sistema de distribución a caudal variable y pérdidas de carga en las tuberías relativamente altas, las válvulas de control de presión diferencial son necesarias para un control preciso y estable. Sin ellas, habría que aceptar: a- un control inestable (todo/nada) a pesar de la inversión realizada en un control PIDcostoso b- o la ampliación de la banda proporcional hasta obtener un control estable, pero impreciso Si elige la alternativa “a”, el controlador no puede encontrar un nivel estable de la temperatura ambiente. En refrigeración, oscilará siempre entre, por ejemplo, 21°C y 25°C. ¿Qué debe hacer el usuario? Debe reducir la consigna del termostato de la habitación, a menudo hasta la consigna mínima o al menos 2°C por debajo del valor deseado. Con el tiempo, cuando todos los usuarios hagan lo mismo y la temperatura media del edificio sea 2°C inferior al nivel previsto, el consumo de energía aumentará en un 20 ó 30%. Si elige la alternativa “b”, el controlador puede encontrar un nivel estable para la temperatura ambiente cuando la carga sea superior a un nivel determinado. Pero esta temperatura puede ser cualquiera entre, por ejemplo, 19°C y 25°C, en lugar de entre 21°C y 23°C, que con frecuencia es el nivel especificado. La función I de los controladores avanzados intentará lograr la temperatura ambiente estable pero incorrecta al nivel adecuado, pero eso tarda tiempo. Si el edificio está sometido a cambios de carga rápidos, la función I no tiene tiempo suficiente para ajustar la temperatura ambiente antes de la próxima perturbación. La radiación solar aumentará la temperatura ambiente. Esto indicará al usuario que debe bajar la consigna del termostato de la habitación. Pero tan pronto como la radiación solar desparezca, hará demasiado frío y deberá volver a cambiar la consigna al mismo tiempo que se quejará del inoperante sistema de aire acondicionado. El control de presión diferencial con frecuencia es una necesidad para un control proporcional preciso y estable y puede evitar una disipación de energía entre el 15 y el 25%.
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Reducción al mínimo del ruido de las válvulas de control El ruido de las válvulas de control aumenta con la presión diferencial. Este ruido en las unidades terminales puede llegar a ser especialmente molesto porque se emite muy cerca de los ocupantes del edificio. En condiciones de diseño, esto no suele ser un problema si las presiones diferenciales son razonables. En realidad, cuando la instalación funciona a, digamos, una media del 50% de la carga máxima, el caudal de agua es tan sólo el 20% del de diseño y las pérdidas de carga en las tuberías y accesorios son 25 veces menores. Por tanto, la presión diferencial aumenta enormemente sobre cada válvula de control, lo que puede producir ruido. Una válvula de control de presión diferencial estabiliza dicha presión en un nivel correcto sobre los circuitos, lo que reduce al mínimo el ruido en todos los tipos de válvulas de control. Simplifica el equilibrado y la puesta en servicio Los controladores de presión diferencial hacen que los circuitos sean hidráulicamente independientes unos de otros. Este hecho es de una importancia fundamental para la puesta en servicio: • No son necesarias válvulas de equilibrado aguas arriba de las válvulas de control de presión diferencial. • El equilibrado hidráulico se simplifica porque los circuitos no son interactivos. • Se puede poner en servicio una nueva zona, sin alterar con ello las que ya están funcionando.
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4. Aplicaciones de la STAP Para permitir un control estable y preciso, la presión diferencial sobre las válvulas de control proporcionales no debería variar en exceso. Esto se puede conseguir con una válvula de control de presión diferencial automática, STAP, en un sistema de distribución a caudal variable. La STAP de TA es una válvula automática de control proporcional. Puede estabilizar la presión diferencial sobre una válvula de control, un ramal con diferentes unidades terminales, o bien una columna con varios ramales. 4.1 FUNCIONAMIENTO 7
4a A 4b 5 3
2 B
Figura 4.01. STAP estabiliza la presión diferencial secundaria ∆pL.
El diseño de la STAP se basa en una combinación de membrana y resorte. El resorte tira del asiento doble equilibrado (2) para abrir la válvula. La presión diferencial AB se aplica sobre la membrana (3), lo que crea una fuerza contra el resorte. La presión A se comunica a la STAP mediante un capilar conectado al drenaje (6) de la válvula de medición STAD/M (STAD o STAM). La presión B se comunica internamente al otro lado de la membrana para diámetros pequeños y externamente para diámetros superiores a DN50. La válvula de medición puede omitirse o sustituirse simplemente mediante un punto de medida en la tubería de impulsión (no es recomendable si el caudal de agua no se puede medir con otro dispositivo). Cuando la fuerza creada por la presión diferencial AB en la membrana es superior a la del resorte, la válvula comienza a cerrarse proporcionalmente, hasta que encuentra una nueva posición de equilibrio. Esto crea una pérdida de carga complementaria en la STAP, que limita el aumento en la presión diferencial ∆pL (presión diferencial sobre el circuito secundario).
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4. APLICACIONES DE LA STAP
La tensión del resorte se modifica por medio de una llave Allen introducida a través del centro del volante (7). De este modo es posible ajustar la presión diferencial (∆pL) a el valor necesario. El volante (7) también se puede utilizar para cerrar la STAP y aislar el circuito cuando sea necesario. El caudal de agua se mide mediante la STAD/M. La ∆pL se puede medir entre (5) y (4b), (cuando 4b está equipado con un punto de medida opcional) o bien entre (5) y (8). Puesto que la STAP es un controlador proporcional, la ∆pL no se mantiene absolutamente constante. Varía dependiendo de la banda proporcional de la STAP. La figura 4.02a representa la evolución de la ∆pL con el valor Kv de la STAP (el grado de apertura). ∆pL 1.2 SP SP ∆pc 0.8 SP
Kv STAP Min
Kvm/2
Kv
Kvm
Kvs
Rango para funcionamiento del Kv
Figura 4.02a. La presión diferencial secundaria depende del grado de apertura de la STAP.
El valor Kv de la STAP varía de 0 a un valor máximo Kvs. Sin embargo, el rango de funcionamiento se sitúa entre un valor Kvmín y un valor Kvm para el cual la presión diferencial secundaria adopta valores estables a ±20% alrededor de la consigna (SP). Para alcanzar una función estable, resulta adecuada una banda proporcional de 40% a 50%. Supongamos que la presión diferencial primaria de diseño H es de 120 kPa y que la presión diferencial secundaria ∆pL necesaria es de 30 kPa. Si H aumenta de 120 a 220 kPa, ∆pL se incrementará de 30 a 33 kPa (+ 10%). La perturbación de 100 kPa se ha reducido a 3 kPa en la parte secundaria. Sin el controlador de presión diferencial, el circuito experimentaría un aumento de la presión diferencial de 100 kPa. En este caso, la STAP ha reducido el efecto de la perturbación en un factor de 33. Por diseño: H = 120 kPa, ∆pL = 30 kPa Caudal constante
∆pL en kPa
39 34 29 24 80
100 120 140 160 180 200 220 240 260
H en kPa
Figura 4.02b. Influencia de las perturbaciones en la ∆pL secundaria.
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Para hallar la consigna correcta de la STAP, simplemente mida el caudal de agua con la válvula de medición (según las condiciones de diseño) y ajuste la consigna de la STAP hasta alcanzar el caudal de diseño. No es preciso calcular nada. Si este ajuste se realiza cuando la presión primaria H fuese superior a su valor de diseño (figura 4.02b), la consigna que se obtendría sería algo menor que la necesaria. La diferencia generalmente es insignificante, pero se puede corregir cuando los caudales se miden para el informe de equilibrado. La consigna, además, corresponde a un número determinado de vueltas del vástago de ajuste. En las especificaciones técnicas se indica la relación entre la consigna y el número de vueltas. Esta información es útil para preajustar con más rapidez la STAP en su consigna necesaria cuando no se ha instalado una válvula de medición, o cuando la presión diferencial H es menor que Hmín. Hmín es el valor mínimo de H. Para H < Hmín, no es posible conseguir el caudal de diseño. Dimensionamiento de una STAP Una STAP se dimensiona de modo que su valor Kv de diseño esté próximo a 0,8 × Kvm, pero sin superarlo. Por ejemplo, supongamos que un circuito necesita una presión diferencial secundaria ∆pL de 30 kPa, mientras que la presión diferencial primaria es igual a 120 kPa. Para el caudal de cálculo de 2.000 l/h, la pérdida de carga de diseño en la válvula de medición es de 4 kPa, por ejemplo. La pérdida de carga que se crea en la STAP = 120 – 4 – 30 = 86 kPa. En estas condiciones, el valor Kv de la STAP es igual a 0.01 × 2000/√86 = 2.16. Una STAP con, por ejemplo, un valor Kvm igual a 3,1 será adecuada para esta aplicación. Dimensionamiento de una STAD/M Las válvulas de medición STAD y STAM se seleccionan para crear una pérdida de carga mínima de 3 kPa, totalmente abiertas para el caudal de diseño. Esta presión diferencial de 3 kPa es necesaria para obtener una medida correcta del caudal de agua.
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4. APLICACIONES DE LA STAP
4.2 Aire acondicionado 4.2.1 UNA STAP EN CADA COLUMNA
STAD/M
STAP
Figura 4.03. Una STAP de controlador ∆p estabiliza la presión diferencial en cada columna.
En grandes instalaciones, la altura manométrica de la bomba puede ser excesiva o variar demasiado para las válvulas de control de los terminales. En ese caso, la presión diferencial se puede estabilizar en la parte inferior de cada columna, en un valor adecuado, con una válvula de control de presión diferencial STAP. Procedimiento de equilibrado figura 4.03 Para el procedimiento de equilibrado, cada columna es un módulo que puede considerarse independiente de los demás. Antes de comenzar el equilibrado de una columna, su STAP se debe poner en funcionamiento y estar totalmente abierta para asegurar al menos la obtención de los caudales de agua necesarios. Una forma sencilla de hacerlo es cerrar el drenaje de la STAD/M (STAM o STAD) en la impulsión y purgar la cámara de alojamiento de la membrana por medio del pequeño tornillo de purga. 1- Los terminales se equilibran entre sí en cada ramal y, posteriormente, los ramales se equilibran entre sí, con el método de compensación, o el método de equilibrado de TA (véase el manual 2: “Equilibrado del sistema de distribución”). La STAD/M actúa como válvula de compensación. 2- Una vez equilibrada una columna, la consigna de su STAP se ajusta para obtener el caudal de diseño, medible con la válvula STAD/M situada en la parte inferior de esta columna. El equilibrado de las columnas entre sí no es necesario, ya que esto se consigue de forma automática, por actuación de la STAP.
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Nota 1: En calefacción y si todas las válvulas de control de una columna se cierran, también se cerrará la STAP de control de presión diferencial. La presión estática en la tubería de retorno de esta columna disminuye entonces, a medida que se enfría el agua en un volumen cerrado. La presión diferencial aumenta sobre las válvulas de control. En consecuencia, la válvula de control que se reabre en primer lugar generará ruido temporalmente. Un caudal mínimo proporcionado por una válvula de descarga BPV evita este problema. Si la columna índice requiere una presión diferencial primaria relativamente alta, la altura de bomba debe satisfacer esta condición. Sin embargo, pudiera ocurrir que otras no necesiten tanta altura de bomba. Esto aumenta los costes de bombeo para toda la instalación. Para reducir los, se puede instalar una bomba secundaria independiente para la columna índice. Un bypass EF (figura 4.04a) impide cualquier interactividad entre las bombas primaria y secundaria, pero implica un caudal constante primario. Si se prefiere un caudal variable, otra solución es estabilizar la presión diferencial por encima de la bomba secundaria, entre A y B, con un controlador de presión diferencial (figura 4.04b). La altura necesaria de la bomba secundaria se reduce en el valor ∆pAB obtenido con el controlador ∆p.
E
F
a
A
B
b
A
B
c
Figura 4.04. Cómo resolver la interactividad entre las bombas primaria y secundaria
Cuando haga falta (véase la sección 5.2), el caudal mínimo necesario para la bomba primaria se puede obtener mediante una válvula de descarga proporcional BPV situada entre A y B, como en la figura 4.04c. Cuando el caudal se reduce, la presión diferencial entre A y B aumenta de acuerdo con la banda proporcional de la STAP. La consigna de la BPV se calcula para obtener el caudal mínimo necesario, cuando sea necesario. Otra posibilidad es aislar el circuito secundario y ajustar la consigna de la BPV para obtener el caudal mínimo que se puede medir con la válvula de medida.
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4. APLICACIONES DE LA STAP
4.2.2 UNA STAP EN CADA RAMAL STAD/M
STAP
Figura 4.05. Una STAP de controlador ∆p estabiliza la presión diferencial en cada ramal.
Si la presión diferencial se estabiliza en cada ramal, se suministra una presión diferencial adecuada a los terminales. Cada ramal se equilibra de forma independiente con respecto a los otros. Esta solución es técnicamente mejor que una STAP para cada columna, porque la presión diferencial adecuada puede variar de un ramal a otro. Además, los cambios en las presiones diferenciales debidos a pérdidas de carga variables en las columnas se compensan de forma automática. Procedimiento de equilibrado figura 4.05 Para el procedimiento de equilibrado, cada ramal es un módulo que se puede considerar independiente de los demás. Antes de comenzar el equilibrado de un ramal, su STAP se debe poner en funcionamiento y estar totalmente abierta para asegurar la obtención de los caudales de agua necesarios durante dicho procedimiento. Una forma sencilla de hacerlo es cerrar el drenaje de la STAD/M (STAM o STAD) en la impulsión y purgar la cámara de alojamiento de la membrana. 1- Los terminales se equilibran entre sí en cada ramal por el método de compensación o el método de equilibrado de TA (véase el manual 2: “Equilibrado del sistema de distribución”). Cuando se utiliza el método de compensación, la STAD/M actúa como válvula de compensación. 2- Cuando se equilibra un ramal, la consigna de su STAP se ajusta para obtener el caudal de diseño que se puede medir con la válvula STAD/M. No es necesario equilibrar los ramales y las columnas entre sí. En lo que respecta al caudal mínimo, la nota de la sección 4.2.1 para las columnas puede extenderse a los ramales.
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Ejemplo: En la figura 4.06a, cada terminal C está equipado con una válvula de equilibrado (STAD) o una válvula de terminal (TBV). Éste es el caso general que se examina en la figura 4.05. En la figura 4.06b, cada terminal está equipado con una válvula de regulación (válvula Trim o STK). Puesto que las válvulas de regulación no disponen de puntos de medida, no permiten la medición de caudal en las unidades terminales, por lo que es preciso calcular los preajustes de dichas válvulas. qp
STAD/M
qp
V
∆H
V C
STAD/M
V
∆H
V C
C STAD o TBV
C
Trim
STAP
STAP
a- Válvula de equilibrado en cada terminal
b- Detector en cada terminal
Figura 4.06. Una STAP estabiliza la presión diferencial sobre un conjunto de unidades de terminal.
Procedimiento de equilibrado figura 4.06a 1- Abra la STAP completamente. Las válvulas de control V están totalmente abiertas. 2- Equilibre los terminales del ramal de acuerdo con el método de equilibrado de TA, que no depende de la presión diferencial DH disponible. Las STAD/M actúan como válvulas de compensación. 3- Ajuste la consigna de la STAP para obtener el caudal del diseño total qp a través de la STAD/M.
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4. APLICACIONES DE LA STAP
Procedimiento de equilibrado figura 4.06b En el siguiente procedimiento de equilibrado, las pérdidas de carga en la tubería de distribución aguas abajo de la STAP se consideran despreciables. 1- En cada circuito, la presión diferencial necesaria (∆p circuito) es la suma de las pérdidas de carga para el caudal de diseño. ∆p circuito = ∆p válvula de control + ∆p unidad de terminal + ∆p accesorios + ∆p válvula de regulación completamente abierta. Identifique el circuito que necesita la presión diferencial más alta (∆pmáx. de circuito). 2- En cada circuito, calcule la pérdida de carga que se debe alcanzar en la válvula de regulación: ∆p válvula de regulación = ∆pmáx. de circuito – ∆p válvula de control – ∆p unidad de terminal – ∆p accesorios. Ajuste cada válvula de regulación para crear esta pérdida de carga a el caudal de diseño. Utilice un ábaco TA para hallar el ajuste correcto, o bien utilice el programa informático TA Select II. 3- Ajuste la consigna de la STAP para obtener el caudal del diseño total qp en la STAD/M. Ejemplo con unidades pequeñas en un ramal qp
STAD/M
∆H
TBV-C C
C
STAP
Figura 4.06c. Las unidades terminales se controlan con válvulas de equilibrado y control TBV-C.
La figura 4.06c es un ejemplo típico de un ramal con varias unidades controladas mediante válvulas TBV-C. La TBV-C combina cinco funciones en una válvula: • • • • •
Control (todo/nada, tres puntos o proporcional) Preajuste gradual de 0 a Kvs, que oscila entre 0 y 10 Medida de la presión diferencial Medida del caudal Cierre
El ramal se protege mediante un controlador que mantiene estable la presión diferencial sobre los circuitos. Con ello se asegura un control proporcional preciso y estable. Puesto que la presión diferencial se mantiene al nivel necesario, también se limita el riesgo de ruido de las válvulas de control.
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Procedimiento de equilibrado figura 4.06c Igual que para la figura 4.06a. Si los ejemplos anteriores se aplican a toda la instalación, no son necesarias las válvulas de equilibrado en los ramales y columnas, excepto para el diagnóstico de problemas y corte. 4.2.3 UNA STAP EN CADA VÁLVULA DE CONTROL Dependiendo del diseño de la instalación, la presión diferencial disponible para un circuito puede variar considerablemente con la carga. Para obtener y mantener las características correctas de las válvulas de control y garantizar un control estable y preciso, la presión diferencial sobre las válvulas de control se puede estabilizar con un controlador de presión diferencial tal y como se muestra en la figura 4.07. ∆pL
V
STAD/M
STAP
∆H
Figura 4.07. Un controlador ∆p estabiliza la presión diferencial sobre la válvula de control.
Notas 1- El caudal se mide con una válvula de medición STAD/M (STAD o STAM), que es una herramienta esencial para la resolución de problemas. 2- Cuando no se necesita ninguna unidad de medición (no se recomienda), se puede sustituir esta válvula por un punto o toma de presión. En ese caso, el ajuste de la STAP se calcula en función del Kvs de la válvula de control. En el segundo caso, los valores aportados son los siguientes: el caudal de diseño q y valor Kvs de la válvula de control, que se obtiene normalmente con una precisión del ±15%. La presión diferencial teórica que debe crear la STAP se puede calcular mediante la siguiente fórmula: ∆p = (0.01 × ∆p = (36 ×
q Kvs
q Kvs
) 2 (kPa – l/h)
)2
(kPa – l/s)
La válvula de control V nunca resulta sobredimensionada, ya que el caudal de diseño siempre se obtiene con ella completamente abierta. Su autoridad se fija y se mantiene por encima de 0,7. Como la ∆pL secundaria es prácticamente constante, toda la presión diferencial primaria adicional se obtiene en la STAP.
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4. APLICACIONES DE LA STAP
Procedimiento de equilibrado figura 4.07 1- Abra completamente la válvula de control V. 2- Preajuste la STAD/M para obtener al menos 3 kPa para el caudal de diseño. 3- Ajuste la consigna de la STAP, de controlador de presión diferencial, para obtener el caudal de diseño. Puesto que los caudales son los correctos en cada terminal, no es necesario llevar a cabo ningún otro procedimiento de equilibrado. Si todas las válvulas de control están equipadas con una STAP, no se necesitan válvulas de equilibrado en los ramales ni en las columnas (figura 3.17), excepto para realizar diagnósticos. Dimensionamiento de la válvula de control En este caso, el dimensionamiento de la válvula de control V no es difícil. Sin embargo, se recomienda adoptar una pérdida de carga de al menos 20 kPa en ella. Para una altura de bomba de 250 kPa y sin STAP, la pérdida de carga de diseño en la válvula de control debe ser como mínimo igual a 0,25 × 250 = 63 kPa. Con una STAP, este valor se puede reducir a 20 kPa. Si la pérdida de carga de diseño en la STAP es igual a 10 kPa, la altura de bomba se puede reducir en 33 kPa, lo que disminuye los costes de bombeo al menos un 13%. Ejemplo con una válvula de control en inyección Algunos sistemas de distribución funcionan con un caudal constante y temperatura de agua de impulsión variable. Por ejemplo, es necesario un caudal de agua constante en las baterías de precalentamiento para garantizar la protección contra la congelación. Para conseguir un mejor control de la temperatura; un caudal constante en una unidad garantiza un régimen turbulento y, por consiguiente, un coeficiente de intercambio constante. En estos casos, normalmente se utiliza una válvula de mezcla de tres vías para obtener una temperatura de agua de impulsión variable. Cuando el sistema de distribución está activo (la bomba primaria está instalada), no se permite una válvula de mezcla de tres vías, ya que el caudal puede invertirse en su bypass debido a la presión diferencial primaria. Cuando el caudal se invierte en el bypass de la válvula de tres vías, se anula la función de mezcla. En este caso, la mejor solución es instalar una válvula de control de dos vías en inyección, tal y como se muestra en la figura 4.08a. B
B
C
qb ∆H
A
a
V
b
∆H
D
B
C
V
V
c
qb ∆H
A
D
qb
A
Figura 4.08. Una válvula de control de dos vías montada en inyección.
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Si se producen grandes variaciones en la presión diferencial primaria ∆H, la autoridad de la válvula de control de dos vías disminuirá considerablemente y afectará a la estabilidad del bucle de control. En este caso, la mejor solución es estabilizar la presión diferencial ∆pCD sobre la válvula de control con un controlador de presión diferencial (figura 4.08b). Si se necesita un caudal mínimo para proteger la bomba primaria, se puede lograr instalando una válvula de descarga proporcional (como la válvula BPV de TA) entre C y D. Esta solución es mejor que utilizar una válvula de equilibrado manual, ya que el caudal mínimo se genera únicamente cuando es necesario. Esto reduce el caudal primario y, por consiguiente, los costes de bombeo. Algunos diseñadores especifican una válvula anti-retorno en la tubería AB para evitar el paso del caudal de B a A. Existen dos razones principales: 1. En una batería de precalentamiento expuesta a una temperatura de aire baja, la válvula anti-retorno permite a la bomba primaria inyectar agua caliente en la batería si falla la bomba secundaria. Esto garantiza la protección contra la congelación. 2. En calefacción de distrito, si la válvula de control de dos vías está sobredimensionada o si el caudal secundario es variable, el caudal de agua en el bypass AB puede invertirse. De este modo se volverá a calentar el retorno. La válvula anti-retorno evita este caudal de retorno.
4.3 Calefacción por radiadores En una instalación de calefacción moderna, las válvulas termostáticas están preajustadas para obtener los caudales de agua necesarios en condiciones de diseño. Estos preajustes sólo son válidos si las presiones diferenciales en las que están basados se obtienen realmente para las válvulas de los radiadores. Cuando la instalación funciona con cargas medias pequeñas, las pérdidas de carga en las tuberías disminuyen. Las presiones diferenciales sobre las válvulas termostáticas pueden aumentar entonces considerablemente. Si esta presión diferencial supera los 20–30 kPa, existe riesgo de ruido, sobre todo si existe aire en el agua. Por tanto, es esencial también estabilizar la generación de presión diferencial sobre las válvulas termostáticas. En esta sección se ofrecen soluciones para algunos problemas frecuentes de los sistemas de radiadores: • Cómo obtener la presión diferencial necesaria sobre las válvulas termostáticas. • Cómo comprobar que esta presión diferencial es estable en todas las cargas. • Qué hay que hacer cuando las válvulas termostáticas no se pueden preajustar.
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4. APLICACIONES DE LA STAP
4.3.1 VÁLVULAS DE RADIADOR PREAJUSTABLES Para facilitar el trabajo del instalador, las válvulas termostáticas generalmente están preajustadas bajo el supuesto de que la presión diferencial disponible ∆Ho = 10 kPa. Este valor es un término medio entre dos necesidades: • No demasiado alto, para mantener una apertura de la válvula suficientemente grande y así evitar obstrucciones y ruido. • No demasiado bajo, para que la influencia relativa de las pérdidas de carga en las tuberías afecte a la correcta distribución de caudales.
∆Ho
∆Hp
STAD
Figura 4.09. Cada válvula de radiador está preajustada como si estuviera sometida a la misma presión diferencial de 10 kPa.
Durante el procedimiento de equilibrado de toda la instalación, la válvula de equilibrado del ramal se ajusta para obtener el caudal total correcto de dicho ramal. Esto justifica el preajuste de las válvulas termostáticas y el valor de 10 kPa previsto se obtendrá en el centro del ramal cuando finalice el equilibrado. En un sistema de distribución a caudal variable, las presiones diferenciales pueden aumentar considerablemente cuando la instalación funciona con cargas pequeñas. Las válvulas termostáticas pueden volverse ruidosas, especialmente si hay aire en el agua. Entonces, es aconsejable instalar válvulas de control de presión diferencial (STAP), como en la figura 4.10. STAD/M
∆Hp
∆Hmax
∆Ho=10 kPa
∆Hmin STAD/M
STAP
STAP
Figura 4.10. Una STAP estabiliza la presión diferencial en la entrada del circuito.
Una STAP estabiliza la presión diferencial para cada ramal o columna. El caudal qs se mide en la STAD/M (válvula de equilibrado STAD o válvula de medición STAM). 49
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Procedimiento de equilibrado figura 4.10 1- Abra completamente todas las válvulas termostáticas, por ejemplo, retirando las cabezas termostáticas 2- Preajuste las válvulas termostáticas para una presión diferencial constante de 10 kPa menos la pérdida de carga en la válvula de retorno. Utilice el resultado DH para determinar el valor Kv que hay que preajustar: Kv = 0.01× q/ √ DH, con q en l/h and DH en kPa. 3- Ajuste la consigna de la STAP para obtener el caudal de diseño total qs medido en la STAD/M. La presión diferencial prevista de 10 kPa se aplica entonces en el centro del circuito. Nota: En realidad, el primer radiador tendrá un exceso de caudal y el último estará a subcaudal. Esto es aceptable si la longitud de la tubería entre la STAP y el último radiador no supera L = 2200/R (L en m), donde R es la pérdida de carga media en las tuberías (en Pa/m). Esta fórmula está basada en una desviación de caudal máxima del 10%. Para R = 150 Pa/m, L máx = 15 metros. Localización de la válvula de zona todo/nada y el contador de energía. En ciertos casos, se instala una válvula de control de presión diferencial para cada apartamento. La temperatura del agua de impulsión se ajusta con un controlador central de acuerdo con las condiciones exteriores. Con frecuencia se coloca un termostato en una habitación de referencia donde las válvulas de radiador no son automáticas. El termostato de la habitación controla una válvula todo/nada V, como se muestra en la figura 4.11.
STAD/M
∆H
V
∆Ho
Contador de energía
STAP
Figura 4.11. Una STAP controla la ∆p de cada vivienda.
La válvula de control todo/nada y los contadores de energía se sitúan preferiblemente en la parte del circuito donde no se controla la presión diferencial. Con ello se evita que la presión variable afecte a la presión diferencial sobre los radiadores. Sin embargo, la válvula todo/nada y el contador de energía se pueden colocar aguas abajo de la STAP si la consigna necesaria de la STAP no supera el valor máximo para el que las válvulas termostáticas generan ruidos. 4.3.2 VÁLVULAS DE RADIADOR NO PREAJUSTABLES En algunas instalaciones existentes, las válvulas de radiador no se pueden preajustar. Los controladores de presión diferencial pueden limitar la presión diferencial en cada circuito. Pero sin restricciones de caudal en las válvulas de radiador, el caudal puede ser varias veces más alto en uno o varios radiadores y demasiado bajo en otros, a pesar del control de presión diferencial. 50
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4. APLICACIONES DE LA STAP
La mejor forma de resolver este problema es, por supuesto, instalar válvulas de radiador preajustables y equilibrarlas de acuerdo con la sección 4.3.1. Otra solución es utilizar la válvula de equilibrado STAD como válvula de medición y conectar la tubería de señal desde la válvula de control de presión diferencial hasta el punto de medida de la válvula de equilibrado inmediato a la reducción, figura 4.12. La válvula de equilibrado se incluye entonces en el circuito controlado. Compare las figuras 4.10 y 4.12 para ver cómo se conecta la tubería de señal y dónde se monta la válvula de equilibrado. El caudal qs se mide en la STAD. STAD
∆Hp STAD STAP STAP
Figura 4.12. La pérdida de carga en la válvula de equilibrado se incluye en la ∆p total controlada por la STAP.
La consigna de la STAP se selecciona en 20 kPa. La válvula de equilibrado se ajusta para obtener el caudal de diseño total cuando todas las válvulas termostáticas están completamente abiertas. Durante el arranque, estando las válvulas termostáticas totalmente abiertas, el caudal total es correcto puesto que se ha ajustado a su valor de diseño con la STAD. Cuando las válvulas termostáticas se cierran, la presión diferencial disponible se limita automáticamente a la consigna de la STAP (20 kPa) más el valor de su banda proporcional. Esta combinación mantiene el caudal total y la limitación de ∆p en valores aceptables. Con este método, la distribución correcta del caudal total entre los radiadores sólo se consigue si todos son idénticos y están próximos entre sí. Si no es éste el caso, mejorará no obstante de forma significativa el rendimiento de una instalación con válvulas de radiador no preajustables.
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4.4 STAP como controlador de caudal En algunas aplicaciones, los controladores de caudal automáticos son útiles. Por ejemplo, para mantener constante el caudal primario de una válvula de derivación de tres vías, o para dar servicio a varios circuitos de refrigeración con fines industriales. Para estas aplicaciones pueden utilizarse controladores de caudal específicos. Una STAP también puede solucionar el problema de la medición y el ajuste del caudal. Esta solución se muestra en la figura 4.13.
STAD
STAP
Figura 4.13. STAP como controlador de caudal.
La selección de la consigna debe ser lo más próxima posible al valor mínimo de su rango, por ejemplo 10 kPa. El caudal de agua se mide con la válvula de medición STAD, cuyo ajuste se selecciona para obtener el caudal de diseño requerido. En este ejemplo, la pérdida de carga en la STAD corresponde a la consigna de ésta; es decir, 10 kPa. Si el caudal de agua tiene tendencia a aumentar, se incrementará la pérdida de carga en la STAD. Esta presión diferencial se comunica a la STAP, que cerrará lo suficiente para restablecer el caudal en el valor de diseño. De acuerdo con la banda proporcional de la STAP, el caudal de agua no se mantiene absolutamente constante. Por ejemplo, si la presión diferencial sobre la STAD-STAF definida aumenta de 100 a 200 kPa, el caudal aumenta un 7%.
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5. APÉNDICES
5. Apéndices 5.1- Preguntas y respuestas 5.1.1 ¿POR QUÉ EQUILIBRAR HIDRÁULICAMENTE? Muchos administradores de inmuebles se gastan fortunas en solucionar quejas acerca del clima interior. Esto puede suceder incluso en edificios nuevos en los que se utiliza la tecnología de control más reciente. Estos problemas son múltiples: • Algunas habitaciones nunca alcanzan las temperaturas deseadas, especialmente después de cambios de carga grandes. • La temperatura de las habitaciones oscila, sobre todo a cargas bajas y medias aunque los terminales tengan controladores sofisticados. • Aunque la potencia nominal de las unidades de producción pueda ser suficiente, la de diseño no se puede transmitir, especialmente durante el arranque después de una parada nocturna o de fin de semana. Estos problemas ocurren en muchos casos debido a que caudales incorrectos impiden a los controladores realizar su trabajo. Los controladores sólo pueden controlar de forma eficaz si los caudales de diseño prevalecen en la instalación cuando son demandados. La única forma de obtenerlos es mediante el equilibrado de la instalación. Esto debe hacerse por tres motivos: 1. Las unidades de producción se deben equilibrar, obteniendo así el caudal nominal en todas las calderas o enfriadoras. Además, en la mayoría de los casos, el caudal en cada unidad se debe mantener constante. Las fluctuaciones reducen la eficacia de la producción, acortan la duración de las unidades de producción y dificultan aún más el control efectivo. 2. El sistema de distribución se debe equilibrar para garantizar que todos los terminales puedan recibir el caudal de diseño, con independencia de la carga total de la instalación. 3. Los bucles de control se deben equilibrar para lograr las condiciones de funcionamiento adecuadas para las válvulas de control y para hacer que los caudales primario y secundario sean compatibles. Cuando la instalación está equilibrada, se puede utilizar un controlador u optimizador central, ya que todos los locales se comportarán y estarán en condiciones de reaccionar homogéneamente a los cambios. Además, cuando la temperatura media de la habitación se desvía del valor de diseño, debido a la ausencia del equilibrado, el resultado suele ser una incomodidad costosa. Durante el procedimiento de equilibrado, la mayoría de los problemas hidráulicos se detectan y se pueden corregir antes de poner en funcionamiento la instalación. Los dispositivos de equilibrado hidráulico, que pueden medir presiones diferenciales y caudales de agua, sirven de herramientas para la resolución de problemas durante toda la vida de la instalación.
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El uso de válvulas de control de presión diferencial para el equilibrado tiene las ventajas añadidas de estabilización local de la presión diferencial y prevención de problemas de interactividad. Estas dos ventajas funcionales se traducen en tres beneficios claros: control proporcional preciso y estable, ausencia de ruido mínimo en las válvulas de control y equilibrado y puesta en servicio simplificados. 5.1.2 ¿CUÁLES SON LOS COSTES DEL INCONFORT? Durante el invierno, con tiempo frío, hace demasiado calor cerca de la caldera y demasiado frío en los pisos superiores. Los usuarios del edificio aumentan la temperatura de impulsión. Entonces, los ocupantes de los pisos superiores dejan de quejarse y los próximos a la caldera tienen que abrir las ventanas. Durante el tiempo cálido se aplica la misma situación. Hace demasiado frío cerca de las bombas y demasiado calor en los demás sitios. Un grado de más o de menos en una sola habitación, raramente supone una diferencia para el confort personal o para los costes energéticos. Pero cuando la temperatura media del edificio no es la adecuada, se convierte en un problema costoso. Un grado por encima de 20°C aumenta los costes de calefacción como mínimo entre un 5 y un 8%. Un grado por debajo de 23°C aumenta los costes de refrigeración entre un 10 y un 16%.. 5.1.3 ¿ESTÁ EQUILIBRADA AUTOMÁTICAMENTE UNA INSTALACIÓN BIEN DISEÑADA? Hay quien piensa que es suficiente con indicar los caudales de diseño en los planos para obtenerlos en las tuberías. Pero para obtener los caudales deseados, es necesario medirlos y ajustarlos. Éste es el motivo por el que el equilibrado hidráulico es tan importante. ¿Es posible obtener la distribución de caudal correcta mediante el dimensionamiento cuidadoso de la instalación? En teoría, la respuesta es sí. Pero en la práctica, esto es sólo un sueño. Las unidades de producción, tuberías, bombas y terminales están diseñados para cubrir las máximas necesidades (a menos que la instalación esté calculada con un factor de simultaneidad). Si un eslabón de la cadena no está bien dimensionado, los demás no funcionarán de forma óptima. En consecuencia, no se obtendrá el clima interior deseado y ello afectará al confort. Se podría pensar que el diseño de la instalación con algunos factores de seguridad costosos evitaría la mayoría de los problemas. Sin embargo, incluso si algunos de los problemas se resuelven de esa forma, se crearían otros, especialmente en el lado del control. No se puede evitar cierto grado de sobredimensionamiento, porque los dispositivos se tienen que seleccionar de entre la gama comercial existente. Éstos generalmente no se adecuan a los cálculos realizados. Más aún, en la fase de diseño las características de algunos elementos se desconocen puesto que el contratista los selecciona posteriormente. En ese momento será necesario realizar algunas correcciones teniendo en cuenta también la instalación real, que, con frecuencia difiere en cierta medida del diseño inicial.
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5.1.4 ¿ES SUFICIENTE UNA BOMBA DE VELOCIDAD VARIABLE PARA OBTENER LOS CAUDALES DE DISEÑO CORRECTOS? Consideremos dos unidades terminales idénticas con un caudal de diseño de 1 l/s. Una recibe 2 l/s mientras que la segunda recibe solamente 0,5 l/s. El caudal total es de 2,5 l/s en lugar de 2 l/s. La altura de bomba se reduce para obtener el caudal de diseño total correcto de 2 l/s. Una vez hecho esto, los caudales de agua en los terminales son de 1,6 l/s y 0,4 l/s respectivamente. La instalación está desequilibrada puesto que las unidades terminales no reciben su caudal de diseño Este sencillo ejemplo muestra que la utilización de una bomba de velocidad variable por sí misma no resuelve los problemas de equilibrado hidráulico, porque los caudales cambiarán proporcionalmente cuando se modifique la altura de bomba. El intento de evitar los excesos de caudal de esta forma simplemente hará que los subcaudales insuficientes sean más ostensibles. 5.1.5 ¿ESTÁ EQUILIBRADA AUTOMÁTICAMENTE LA INSTALACIÓN SI LAS VÁLVULAS DE CONTROL DE DOS VÍAS ESTÁN BIEN DIMENSIONADAS? A primera vista no parece haber motivo para el equilibrado de un sistema con válvulas de control de dos vías en los terminales, puesto que las válvulas de control están diseñadas para modular el caudal al necesario. Por lo tanto, el equilibrado hidráulico debe ser automático. Sin embargo, incluso después de cuidadosos cálculos, se descubre que las válvulas de control con el exacto Kvs calculado no están disponibles en el mercado. En consecuencia, la mayoría de las válvulas de control están sobredimensionadas. La apertura total de las válvulas de control no se puede evitar en muchas situaciones como, por ejemplo, durante el arranque, cuando se producen perturbaciones, cuando la temperatura de impulsión es demasiado baja en calefacción o demasiado alta en refrigeración, cuando algunos termostatos están ajustados en el valor mínimo o máximo, o cuando algunas baterías están subdimensionadas. En estos casos, y cuando los dispositivos de equilibrado no están instalados, existirán excesos de caudal en algunos circuitos. Esto provocará caudales insuficientes en otros circuitos. La instalación está diseñada para suministrar la potencia máxima calculada. Una instalación de HVAC está diseñada para una carga máxima específica. Si la instalación no puede administrar su plena potencia en todos los circuitos porque no está equilibrada, la inversión total en la instalación nunca se traducirá en beneficios. Si esta capacidad máxima nunca es necesaria, la instalación no está bien diseñada. Las válvulas de control se abren totalmente cuando se necesita la máxima potencia. Por lo general están sobredimensionadas y no pueden contribuir al equilibrado. Por lo tanto, el equilibrado hidráulico es esencial y normalmente representa menos del dos por ciento de la inversión total de la instalación de HVAC.
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El equilibrado hidráulico, llevado a cabo en condiciones de diseño, garantiza que cada terminal pueda recibir el caudal que necesita en todas las condiciones. Con cargas parciales, cuando se cierran algunas válvulas de control, las presiones diferenciales disponibles en los circuitos sólo pueden aumentar. Si se evitan los caudales insuficientes en condiciones de diseño, éstos no se producirán en otras condiciones. En conclusión, el equilibrado hidráulico permite la consecución de los caudales necesarios. La potencia máxima instalada se puede transmitir, lo que justifica la inversión total en la instalación. Arranque matinal Todas las mañanas, después de una parada nocturna, es necesaria la potencia total para recuperar los niveles de confort tan pronto como sea posible. Una instalación bien equilibrada lo consigue rápidamente. Si una instalación de refrigeración arranca 30 minutos antes de lo que se requiere normalmente, aumenta el consumo de energía en un 6% diario. A menudo esto representa más que todos los costes de bombeo de distribución. Imagine el coste adicional si la instalación tiene que arrancar 2 horas antes. Temperaturas ambiente
Temperaturas ambiente
Instante de ocupación
Instante de ocupación Circuitos favorecidos
Instalación equilibrada
-2
0
c C ir
id o
s
Instalación desequilibrada
-2
0
Tiempo en horas
Tiempo de arranque extra
Instante de ocupación
Instalación desequilibrada
Instalación equilibrada
0
no
rec
Temperaturas ambiente
Instante de ocupación
-1
os
-4
Tiempo en horas
Calefacción
Temperaturas ambiente
u it
o fa v
-2
Tiempo en horas
Refrigeración
-1
0
Tiempo en horas
Tiempo de arranque extra
Figura 5.01. Una instalación de calefacción/refrigeración desequilibrada tiene que arrancar más temprano, lo que aumenta el consumo de energía.
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5. APÉNDICES
Durante el arranque de la mañana después de cada parada nocturna la mayoría de las válvulas de control se abren completamente en los sistema a caudal variable. Si la instalación no está equilibrada se producirán excesos de caudal. Esto da como resultado pérdidas de carga impredecibles en algunas redes de tuberías, dejando sin caudal terminales de las zonas menos favorecidas del sistema. Los circuitos desfavorecidos no recibirán un caudal adecuado hasta que los espacios favorecidos alcancen la consigna del termostato (si estas consignas se han ajustado en valores razonables), lo que permite a sus válvulas de control comenzar a reducir el caudal. Además, los caudales de agua de distribución y producción no son compatibles y no es posible obtener la temperatura del agua de impulsión de diseño. Ello aumenta el tiempo que todos los circuitos, incluidos los circuitos favorecidos, necesitan para llegar a las temperaturas ambiente deseadas. El arranque, por tanto, es difícil y tarda más tiempo de lo previsto. Resulta costoso en términos de consumo de energía. Un arranque no uniforme hace que la gestión por parte de un controlador central, así como cualquier forma de optimización, sean prácticamente imposibles. En un sistema de distribución a caudal constante, la falta y el exceso de caudales se producen durante el arranque y después de éste, lo que agrava todavía más el problema. 5.1.6 ¿AUMENTAN LOS DISPOSITIVOS DE EQUILIBRADO LOS COSTES DE BOMBEO? Si las válvulas de equilibrado están bien ajustadas, disminuyen las presiones locales excesivas debidas a la falta de homogeneidad de la instalación y aseguran los caudales de diseño en estas condiciones. Si las válvulas de equilibrado están totalmente abiertas, las de control se cierran forzosamente para compensar. La energía de rozamiento no se puede ahorrar de esa forma, simplemente se transfiere desde las válvulas de equilibrado a las válvulas de control. Es bastante obvio que las válvulas de equilibrado no crean pérdidas de carga innecesarias. Por el contrario, impiden el exceso de caudal y reducen los costes de bombeo.
5.2 Caudal mínimo en un sistema de distribución a caudal variable En un sistema de caudal variable con válvulas de control proporcionales, el caudal de agua disminuye al 20% del valor de diseño, cuando la carga está cerca del 50% este valor, situación que es bastante habitual. La bomba no puede funcionar por debajo de un caudal determinado; este valor mínimo depende de su diseño. Para proteger la bomba, se puede instalar una válvula de descarga justo después de la bomba, como en la figura 5.02. Pero ésta no es la mejor posición.
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Presión
A
∆p XY
B
∆p MN
X
Y
0
100
Caudal
Figura 5.02. La válvula de descarga está situada próxima a la bomba (XY) o en un circuito remoto (MN).
En este caso, la válvula de descarga debe ajustarse de forma que se abra cuando el caudal total disminuya por debajo del 20% del valor de diseño, por ejemplo. La presión correspondiente está situada en el punto A de la característica de la bomba. Si la válvula de descarga se ajusta en un valor ligeramente más alto que A, nunca abrirá. Si se ajusta en un valor ligeramente más bajo que A, se abrirá cuando el caudal total en la instalación sea insuficiente. Sólo es posible encontrar una consigna correcta cuando la pendiente de la curva de la bomba es muy pronunciada. El ajuste se puede corregir después de un tiempo determinado puesto que las bombas antiguas no tienen las mismas características que las nuevas. Si la válvula de descarga está situada lejos de la bomba, la presión diferencial varía rápidamente con el caudal, puesto que dicha presión depende también de las pérdidas de carga variables en las tuberías y accesorios. La consigna de la válvula de descarga es, en consecuencia, más fácil de ajustar (curva ∆p MN). Algunos diseñadores colocan una válvula de descarga de presión (BPV) en el extremo de cada columna (o cada ramal) para obtener un caudal mínimo cuando la mayoría de las válvulas de control están cerradas. Otro método consiste en equipar varias unidades terminales con una válvula de tres vías en vez de una válvula de control de dos vías. La obtención de este caudal mínimo tiene varias ventajas: 1. El caudal de agua en la bomba no disminuye por debajo del valor mínimo. 2. Cuando el caudal de agua es demasiado bajo, las pérdidas/ganancias de calor crean una ∆T más alta y los circuitos que permanecen en funcionamiento no pueden proporcionar su plena potencia si fuese necesario, puesto que la temperatura del agua de impulsión es demasiado baja en calefacción, o demasiado alta en refrigeración. Un caudal mínimo en el circuito más alejado reduce este efecto.
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5. APÉNDICES
3. En calefacción, si todas las válvulas de control de una columna se cierran, también se cerrará la válvula de control de presión diferencial STAP. La presión estática disminuirá en esta columna cuando el agua se enfríe en un volumen cerrado. La presión diferencial sobre las válvulas de control aumenta mucho. En consecuencia, la válvula de control que se vuelve a abrir en primer lugar emitirá mucho ruido temporalmente. Una válvula de descarga BPV puede crear un caudal mínimo para evitar este problema.
5.3 Distintos métodos de control de una bomba de velocidad variable Con una bomba de velocidad constante, la altura manométrica de la bomba aumenta cuando el caudal total disminuye. Con una bomba de velocidad constante y una distribución en retorno directo (figura 5.03a), el cálculo de la válvula de control, próxima a la bomba, se basa en la presión diferencial disponible por diseño (AB) en el circuito. Cuando toda la instalación funciona a cargas medias o pequeñas, la altura de la bomba aumenta y las pérdidas de carga en las tuberías disminuyen. En consecuencia, la presión diferencial disponible para el circuito aumenta de (AB) a (A'B'). Este aumento no afecta considerablemente a la autoridad de la válvula de control. La situación es bastante distinta para el último terminal, que experimenta un gran cambio de presión diferencial de (EF de diseño) a (E'F'), lo que disminuye enormemente la autoridad de su válvula de control, con el consiguiente riesgo de inestabilidad. Una distribución en retorno inverso (figura 5.03b) no resuelve el problema, puesto que todas las unidades terminales se verán sometidas a los mismos grandes cambios de presión diferencial. B' B
Cargas reducidas
∆p disponible por cálculo
C a rg
a 10
0%
B'
F'
F'
B F
F A
E E A A'
A'
E'
a- Bomba de velocidad constante y retorno directo
E'
b- Bomba de velocidad constante y retorno invertido
Figura 5.03. Bomba de velocidad constante en una distribución de retorno directo e inverso.
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Con una bomba de velocidad variable, ¿es posible reducir la altura de bomba cuando el caudal total disminuye? No es lógico aumentar la presión diferencial cuando las válvulas de control intentan reducir el caudal. Con una bomba de velocidad variable se puede obtener una altura de bomba constante. Avanzando en esta dirección, la altura de la bomba se puede reducir cuando el caudal total disminuye. Sin embargo, el caudal total se puede reducir al 50% porque todos los terminales necesitan un 50% del caudal de diseño, o porque el 50% de los terminales funcionan en condiciones de diseño mientras que todos los demás están apagados. En el primer caso, se puede reducir la altura de la bomba. En el segundo caso, la altura de la bomba normalmente no necesita cambios, puesto que algunas unidades pueden necesitar el caudal de diseño. Por tanto, la forma de controlar la bomba de velocidad variable es importante. Mantener la presión diferencial constante cerca del último terminal. Algunos diseñadores conceden una importancia decisiva a los costes de bombeo, hasta el punto de que el diseño de la instalación parece estar determinado principalmente por esta consideración, sin tener en cuenta el efecto que estas elecciones tienen sobre el confort. Es cierto que los costes de bombeo se pueden estimar con bastante precisión, lo cual es un incentivo importante a la hora de tenerlos en cuenta. En un sistema de distribución a caudal constante equilibrado, los costes de bombeo reales, como porcentaje del consumo estacional de la unidad de producción, se aproximan al 2% en calefacción y entre el 6 y el 12% en refrigeración. Estos valores se reducen en un sistema de distribución de caudal variable. 100
A
C
1
E
∆pC
90
Emisión
N
100
ta is ev Pr
80 70 60
30
50
∆p
∆pV
40
70
30 20
∆pBV M
D
10
B
0
F
0
10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Carrera de la válvula del circuito 1
b- ∆pV diseño = 30 o 70 kPa
a- Instalación
Equilibrado en condición de diseño con válvulas de equilibrado
Figura 5.04. La ∆p constante se mantiene próxima a la última unidad de terminal ¿Qué ocurre si todos los terminales funcionan con una carga del 50%, mientras que el terminal 1 debe funcionar a plena carga?
En la figura 5.04a se muestra lo que ocurre en una instalación con 100 baterías idénticas. En condiciones de diseño: ∆pCD = 87 kPa y ∆pEF = 25 kPa. Para el terminal EF, la pérdida de carga de diseño en su válvula de control es de 12,5 kPa (autoridad de 0,5). Para el primer terminal, la mejor opción disponible es 70 kPa (autoridad 70/87 = 0,8).
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5. APÉNDICES
Si todas las unidades terminales funcionan con una carga del 50%, y solamente con el terminal 1 a máxima demanda, la presión diferencial ∆pCD se reduce de 87 al 27 kPa. El caudal de diseño no se puede obtener en la unidad 1 (figura 5.03b). Se reduce a: 100 ×
√
27 = 56 % y la emisión al 78% 87
Si este caso se considera excepcional y una reducción del 22% de la potencia emitida por el circuito 1 es aceptable, entonces este diseño es correcto. Imaginemos ahora que esta situación no es aceptable, que es el caso más frecuente. Para tratar de solucionar el problema, la pérdida de carga de diseño de la válvula de control 1 se ajusta en un valor igual a 12,5 kPa y la válvula de equilibrado se elimina. Ahora el circuito puede obtener su caudal de diseño únicamente con 27 kPa disponibles. Sin embargo, durante el arranque la válvula de control se abre completamente con una ∆p disponible de 87 kPa en el circuito. En este caso, el caudal de agua en el circuito 1 llegará al 187% de su valor de diseño. La bomba funciona a la máxima velocidad y no puede mantener los 25 kPa previstos cerca del último terminal, que experimenta una grave falta de caudal. Los excesos de caudal crean faltas de caudal en otras partes de la instalación, lo que da lugar a quejas de los ocupantes del edificio. Además, un exceso de caudal total invertirá el caudal en el bypass MN, creando un punto de mezcla en M y un aumento de la temperatura del agua de impulsión en refrigeración. Esto hace que el arranque por las mañanas sea bastante complicado. Una solución para este circuito es mantener una ∆p constante de 12,5 kPa sobre la válvula de control con un controlador ∆p local. En este caso, el caudal está siempre limitado al valor de diseño y la autoridad de la válvula de control y permanece próximo a 0,7 (véase la figura 4.07). Control de ∆p en el centro de la instalación En la figura 5.04a, la presión diferencial también se puede mantener constante en el centro de la instalación (AB en lugar de EF). En el ejemplo anterior, la consigna sería de 56 kPa. Cuando la carga media está próxima a cero, el caudal máximo que se puede obtener en el primer terminal sería del 80%, lo que reduce la potencia emitida máxima en un 6%. Para el último terminal, la autoridad de la válvula de control se reducirá de 0,5 a 0,22. Esta situación puede ser aceptable, pero el ahorro de energía de bombeo es menor en comparación con el control de la ∆p cerca del último terminal.
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Gestión de la bomba de velocidad variable mediante el uso de varios sensores/controladores Una bomba de velocidad variable permite la reducción de la altura de la bomba con cargas pequeñas, lo que reduce los costes de bombeo. Con cargas parciales, si el sensor ∆p está bien situado, la autoridad de las válvulas de control se puede mejorar notablemente, garantizando un control de la temperatura ambiente más adecuado. La cuestión es: ¿dónde se debe instalar el sensor de presión diferencial? Consideremos la instalación que se representa en la figura 3.08 En este caso, el control de la bomba de velocidad variable se puede optimizar mediante el uso de dos sensores/controladores, el más demandante de los cuales controla la bomba de velocidad variable. El primer sensor/controlador ajustado en 113 kPa controla la entrada del circuito J, mientras que el segundo ajustado en 73 kPa controla la entrada del circuito E (figura 08). Cuando la instalación funciona con un caudal del 50%, se obtiene una altura de bomba de 130 kPa en lugar de los 250 kPa que se obtienen con una bomba de velocidad constante (figura 3.12) Esta solución permite una reducción importante de los costes de bombeo sin dejar sin caudal a algunos circuitos en determinadas condiciones. Las autoridades de las válvulas de control se mejoran también con cargas pequeñas y parciales.
5.4. Costes de bombeo comparados con los costes del inconfort Utilizando valores típicos, para una distribución de caudal constante bien equilibrada, se pueden calcular estos costes de bombeo relativos, como % del consumo estacional de las unidades de producción, por medio de la fórmula siguiente: Cpr =
1,42 ×Η % con Sc× ∆Tc
H: altura de la bomba en metros C.A. ∆Tc: ∆T de diseño en °C Sc: carga estacional/carga de diseño media. En refrigeración: Para ∆Tc = 6, Sc = 0,8 y H = 20 m. C.A., Cpr = 6%. Si Sc = 0,4, Cpr = 12%. En calefacción: Para ∆Tc = 20, Sc = 0,4 y H = 10 m. C.A., Cpr = 1,8%. En un sistema de distribución a caudal constante equilibrado , los costes de bombeo reales, como porcentaje del consumo estacional de la unidad de producción, se aproximan al 2% en calefacción y al 6 a 12% en refrigeración. Estos valores se reducen en un sistema de distribución a caudal variable.
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5. APÉNDICES
De forma equivalente, el coste de energía adicional, debido a una desviación constante de la temperatura ambiente, es: En refrigeración: 1°C de temperatura inferior entre 10 y 16%. En calefacción: 1°C de temperatura superior entre 6 y 10%. En la mayoría de los casos, 1°C de desviación en la temperatura ambiente cuesta más que todos los costes de bombeo de distribución. En conclusión, cualquier acción destinada a reducir el consumo de bombeo debe realizarse de forma que no afecte negativamente al funcionamiento de los bucles de control de las unidades terminales. El aumento de ∆Tc puede reducir los costes de bombeo relativos. En calefacción, por ejemplo, algunas instalaciones se calculan para una ∆Tc = 10°C, mientras que en algunos países una ∆Tc = 30°C es bastante común. El control proporcional también permite la reducción de los costes de bombeo. Con un control todo/nada, una carga del 50% se obtiene aproximadamente con un caudal del 50%, mientras que con un control proporcional estable la misma carga se obtiene con sólo un 20% del caudal. (Figura 3.03a). Con una bomba de velocidad variable, hay quien afirma que el ahorro de energía tiene relación con el (caudal)3. Esta opinión es demasiado optimista. La energía de bombeo depende del producto H × q (altura de bomba × caudal). La ∆p (= H) de la instalación depende de R × q2 (resistencia de la instalación × el cuadrado del caudal), pero R no es constante. Por el contrario, aumenta para reducir el caudal y, por último, H no es proporcional a q2. A continuación se da una estimación más acertada de la energía de bombeo con bombas de velocidad variable: W=
50 × (2 – a) × λ × (a + C + λ2 – Cλ2 ) × ηd η
Con W = Bombeo coste de % del proyecto C=
∆p diseño para el circuito más “alejado” Altura de bomba de cálculo
λ = Fracción de caudal η = Rendimiento eléctrico × rendimiento bomba ηd = η en condiciones de cálculo a = 0 cuando al mantener constante ∆p cerca del último terminal a = 1 al mantener constante ∆p en el centro de la instalación Ejemplo: λ = 0.5 (50% caudal), C = 0.2, η = 0.6 × 0.67 = 0.4 ηd = 0.84 × 0.8 = 0.67. Para = 0, W = 33%. Para = 1, W = 57%.
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