SOLUÇÕES PARA INSTALAÇÕES HIDRÁULICAS EM
SISTEMAS DE CLIMATIZAÇÃO VIA ESTABILIZAÇÃO
DAS PRESSÕES DIFERENCIAIS
ESTUDO DE CASO: CARLOS GOMES 222,
PORTO ALEGRE/RS
Eng. Mec. Rafael Buratto
Especialista em Construções Sustentáveis
rafael@ejr.com.br
Alcançar o sucesso em um projeto de
climatização significa gerar conforto para os
usuários, ter um custo operacional baixo e
manter o investimento otimizado na etapa de
execução do sistema de climatização.
“O projeto eficaz e econômico em sistemas de água é afetado por complexas
relações entre os vários componentes do sistema. As temperaturas de
projeto da água, a taxa de vazão, o projeto da tubulação, a seleção da
bomba, a seleção das unidades terminais e o método de controle, estão
todos interligados. O tamanho e complexidade do sistema irá determinar a
importância destas relações para o sucesso na operação”.
(HVAC Systems and Equipment - ASHRAE, 2004, p.12.1)Problemas comuns em sistemas de água gelada
o
Sistema hidráulico complexo;
o
Difícil balanceamento das vazões nas unidades terminais;
o
Válvulas de controle com baixa autoridade;
o
Ruídos nas válvulas de controle;
o
Grandes variações de temperatura nos ambientes climatizados;
o
O ∆t da água gelada no laço secundário é menor que o projetado;
o
A vazão de água gelada no laço secundário é maior que a projetada;
o
Mesmo com sobra de capacidade nos resfriadores de líquido não se
consegue atender a carga térmica em alguns momentos.
Válvulas de Duas Vias, Igual Percentagem (IPM)
o
Interface entre a lógica de controle e os trocadores de calor;
o
A característica não linear de um trocador de calor é compensada pela
válvula de controle com características opostas.
Fonte: Autor “adaptado de” Petitjean, 2012, p.146.
o
Kv, é a vazão de água gelada na unidade m3/h, para a
queda de pressão de 1 bar estando a válvula 100%
aberta.
Válvulas de Duas Vias, Igual Percentagem (IPM)
o
O disco caracterizador é o responsável por tornar uma válvula,
originalmente de rápida abertura, em uma válvula de igual percentagem
modificada.
Autoridade e seleção das válvulas de controle
o
Uma válvula de controle, ao restringir a vazão de água gelada, provoca
uma redução na perda de pressão dos demais componentes.
o
Uma válvula de controle 100% aberta está sujeita à pressão disponível
menos as perdas de carga do trocador de calor e acessórios da tubulação
Δp𝑚𝑖𝑛 .
o
Uma válvula de controle fechada faz desaparecer as perdas nos demais
componentes
Δp𝑚𝑎𝑥 .
o
A autoridade de uma válvula de controle (β ) é encontrada com a relação:
β =
Δpmin
Autoridade e seleção das válvulas de controle
o
Válvulas superdimensionadas não terão autoridade suficiente para
resultar num adequado controle na temperatura do ambiente.
o
Válvulas subdimensionadas terão autoridade, mas irão imputar maiores
perdas de carga no sistema hidráulico.
o
O uso de uma válvula sem autoridade, associado a sistemas sem
controle sobre a pressão diferencial, acarreta a passagem de água
gelada em vazões maiores que as necessárias. Quanto maior for a perda
de autoridade, maior será esta sobre vazão e maiores serão os prejuízos
para o Δt da água gelada.
Válvulas de balanceamento estático
o
Utilizadas para ajuste das vazões
operando a plena carga;
o
Substituem, com vantagem, os
registros globo;
o
Substituem a válvula de bloqueio;
o
Possuem dreno para esgotar a água
da unidade terminal no caso de
manutenção.
Válvulas de balanceamento estático
o
Utilizada em série com as válvulas de
controle, restringe a vazão máxima;
Cortesia TA
o
Desvantagem de ter Kv fixo, dificultando
a escolha do modelo mais adequado em
algumas situações.
o Conforme Petitjean (2012, p.248): "Uma instalação bem projetada e bem executada pode ter uma distribuição equitativa das vazões e, portanto, das capacidades. No entanto, ainda é necessário restringir os fluxos em unidades favorecidas, a fim de obter a vazão suficiente para outros circuitos”.
o
Possibilidade de leitura da vazão com equipamento adequado;
o
Rápido diagnóstico de problemas.
“As válvulas de balanceamento são essenciais. Se existe uma falha durante a operação normal e uma válvula de controle se abrir, então pode ocorrer um grande acréscimo na vazão (curto circuito) nesta unidade terminal, se não houver uma válvula
de equilíbrio. Ocorre uma queda na pressão do sistema hidráulico, e todas as demais válvulas de controle começarão a abrir para competir pelo fluxo. Sem equilíbrio, uma
perturbação em uma parte do sistema vai se espalhar para todo o sistema, e vai demorar algum tempo até que a estabilidade seja restaurada.”
(BELIMO, 1999, p.15)
Válvulas de balanceamento dinâmico
Cortesia TA
o
Estabilizam a pressão diferencial;
o
Aplicação de forma localizada;
o
Aplicação em ramais;
o
Simplificam sistemas complexos;
o
Mantêm a autoridade da válvula de
controle;
o
Indispensáveis em sistemas onde não
ocorre alteração na rotação das
bombas “correndo sobre a curva da
bomba”;
o
O comissionamento pode ser executado
em etapas;
o
Tornam o sistema hidráulico menos
interativo.
Síndrome do baixo ∆t
o A potência gerada por uma central térmica está diretamente relacionada com a vazão e com o Δt da água em circulação pelo sistema. Utilizando unidades do SI e para sistemas que utilizam água sem aditivos teremos:
Q=m.4,186.Δt Sendo: Q =(kW); m =( kg/s); Δt (° C)
A redução no Δt da água em circulação pelo sistema acarreta:
o Maior vazão de água gelada para mesma capacidade frigorífica; o Maior consumo de energia no bombeamento;
"Embora geralmente o problema relatado seja a redução no diferencial de temperatura no lado da água, o problema real está no correspondente aumento na vazão de água em circulação. Especialmente em condições de cargas parciais
quando a vazão no secundário aumenta em relação à carga de refrigeração e mais resfriadores de líquido e torres de arrefecimento são necessárias para manter os requisitos de vazão do sistema, mesmo que os limites de capacidade
de refrigeração dos resfriadores ainda não tenha sido atingido. Ambos, o alto consumo de energia de bombeamento, bem como redução da eficiência dos resfriadores que operam em condições de baixa carga, podem levar a uma
diminuição da eficiência global do sistema de água gelada.” (HENZE, 2013, p.102)
Síndrome do baixo ∆t
Formas para mitigar a degradação do Δt em sistemas de água gelada são:
o Manutenção lado água e lado ar.
o Eliminar o uso de válvulas de três vias para controle das unidades terminais; o Selecionar as válvulas de controle, autoridade e pressão de close-off;
"Válvulas de controle superdimensionadas fazem que o controlador ”caçe“ a vazão ideal de água gelada, alternando a abertura e o fechamento da válvula buscando acertar o set point. A vazão que passa pela válvula nesta situação é maior do que a desejada, e, assim, o delta-T é reduzido" Taylor (2002, p.644)
o Pressão diferencial estável sobre a válvula de controle;
o Utilizar válvulas para balanceamento estático nas unidades terminais; o Ajuste correto no set point de temperatura dos ambientes;
Bomba centrífuga com vazão variável
o
Promove redução no consumo de energia;
o
Estabiliza a pressão diferencial;
𝑃𝑏(𝑘𝑊) =
𝑄. 𝛥𝑝
100,58. Ƞ
𝑃𝑏 𝐻𝑃 =
𝑄. 𝛥𝑝
75. Ƞ
Sendo: Q=(l/s), Δp=(mca), Ƞ=Rendimento
o
Promove redução no consumo de energia;
o
Estabiliza a pressão diferencial;
o
Permite controle com menor autoridade;
o
Ponto de medição;
o Leis de Afinidade ou Leis das Bombas
Vazão e Rotação 𝑄2 = 𝑄1 𝑁2𝑁1
Vazão varia com relação linear em relação à variação de rotação;
Pressão e Rotação 𝑝2 = 𝑝1 𝑁2𝑁1 2
Pressão varia com uma relação quadrática em relação à vazão e à rotação;
Potência e Rotação 𝑃2 = 𝑃1 𝑁2𝑁1 3
Potência varia com uma relação cúbica em relação à vazão e à rotação.
o Edifício Comercial com pavimentos corporativos entregues com o sistema de climatização pronto para utilização.
o Projeto conceitual desenvolvido pelo Eng. Vitório Presotto, adota sistema de climatização do tipo expansão indireta com a utilização de água como fluido intermediário.
o A produção de água gelada utiliza dois resfriadores de líquido Carrier, condensação a ar, associados em série. Cada resfriador de líquido conta com 8 estágios de capacidade.
o Bomba primária única, dimensionada para vencer as perdas de carga dos dois resfriadores de líquido, mais a perda imposta por tubulações e acessórios deste laço hidráulico.
o ∆t do laço secundário, previsto para ser de 10,0°C a 11,0°C;
o ∆t dos resfriadores de líquido, previstos para ser de 5,0°C a 6,0°C;
o Tubo comum entre produção e consumo. Circuitos desacoplados;
o Utiliza válvulas de controle de duas vias nas unidades terminais;
o Bomba do secundário tem vazão variável controlada por pressão diferencial;
o Utiliza Válvulas de controle da pressão diferencial em ramais;
o Sistema de automação com ajustes independentes para as zonas climatizadas;
o Limitação na temperatura mínima para ajuste do set point dos ambientes;
o Dados de seleção dos resfriadores de líquido, plena carga.
Carlos Gomes 222
Resfriador Resfriador 1 Resfriador 2
Modelo Carrier, 30GXE267386S Carrier, 30GXE267386S
Capacidade Total (kW) 1005 880 Potência Elétrica (kW) 354 327 COP (kW/kW) 2,84 2,69 Vazão AG (l/s) 42 42 Temp. entrada AG (°C) 16,7 11,0 Temp. saída AG (°C) 11,0 6,0 ∆t°C 5,7 5,0 ∆P (kPa) 57 57
o Fotografia com vazões e temperaturas de água previstas para plena carga
o Fotografia com vazões e temperaturas para carga parcial, em torno de 50%.
Dimensionamento das válvulas de balanceamento estático e das
válvulas de controle de duas vias
o Kv adotado para válvula de controle, pode atenuar ou agravar diferenças; o Trocadores de calor com diferentes ∆p; o Distâncias e bitolas diferentes; o Menos favorecido
o Detalhamento dos componentes; o Dimensionamento das tubulações;
o Dimensionamento da V2V;
o Dimensionamento da VB.
Detalhe de montagem da rede hidráulica para instalação da unidade terminal
Item Unidade Term. Oeste Unidade Term. Centro Unidade Term. Sul Unidade Term. Norte
1 Perda em tubulações (kPa): 6,761 6,143 4,946 4,031
2 Perda em conexões (kPa): 2,073 3,129 1,414 1,131
3 Perda na Válvula de Controle (Kpa): 39,069 30,863 19,132 27,038
4 Perda no trocador de calor (kPa): 6,847 22,436 12,478 10,310
Subtotal 54,750 62,570 37,970 42,510
5 Perda na V. Balanceamento (kPa): 11,320 3,500 28,100 23,560
6 Perda Total interno a C. Máquinas (Kpa): 66,070 66,070 66,070 66,070
7 Vazão de Água Gelada (l/s): 0,28 0,97 0,19 0,36
8 Kvs utilizado 1,60 6,30 1,60 2,50
9 Autoridade para V2V com 100% da vazão: 0,59 0,47 0,29 0,41
10 Bitola - modelo da V2V 1/2"- VG1241AE 3/4" - VG1241BL 1/2" - VG1241AE 1/2" - VG1241AF 11 Válvula de balanceamento: TA - STAD 20 - 3/4" TA - STAD 40 - 1 1/2" TA - STAD 20 - 3/4" TA - STAD 20 - 3/4" 12 Pré ajuste da Válvula de Balanceamento: 2,59 voltas 3,91 voltas 1,58 voltas 2,43 voltas
Casa de máquinas Pavimento Tipo - Conjuntos final 01 - Unidade terminal menos favorecida é a Centro
Dimensionamento das válvulas de balanceamento estático e das
válvulas de controle de duas vias
o O ponto de ajuste das válvulas de balanceamento é encontrado utilizando-se a perda de pressão que deve ser adicionada.
o O comissionamento fica facilitado pela existência de um ponto de ajuste calculado.
o As colunas hidráulicas do laço secundário estão interligadas com cada uma das casas de máquinas dos conjuntos do pavimento tipo, mediante o uso de uma válvula de balanceamento estático na alimentação e de uma válvula de balanceamento dinâmico no retorno da água gelada.
Dimensionamento das válvulas de balanceamento dinâmico
o Os dados utilizados para a seleção são os apresentados na tabela anterior: o Perda de carga total interna da casa de máquinas, 66,070 kPa;
o Vazão de água gelada, somatório das vazões das unidades terminais, 1,80 l/s. o Resultado do selecionamento, pressão diferencial interna 66,1 kPa e a pressão
mínima na coluna hidráulica,77 kPa.
o Indica os ajustes que deverão ser feitos na etapa de balanceamento, com posição 4 voltas para a válvula STAD e 41 voltas para a válvula STAP.
o Os ajustes podem ser copiado para as demais casas de máquinas
o Geração de nova curva para o diâmetro do rotor utilizado e, posteriormente, geração das curvas para as rotações resultantes da redução da frequência;
o Os valores são estimativos, visto que os dados foram originados na leitura de pontos em uma curva impressa do fabricante de bombas Worthington;
o Geração da curva do sistema, com o cálculo da perda de carga para vazão de 100% e posteriores reduções de perdas de carga novas vazões em cargas parciais; o O rendimento da bomba para o ponto de seleção em 60Hz é de aproximadamente
75%, sendo possível estimar as novas potências consumidas;
o Considerando um rendimento de 85% para o motor elétrico e de 90% para o inversor de frequência, a eficiência total resulta em aproximadamente 57%.
o Deve ser fixado na programação dos parâmetros de rotação da bomba a vazão mínima que esta pode trabalhar sem que ocorra recirculação de água na voluta.
Selecionamento da bomba utilizada no laço secundário
Estimativa da Potência Consumida – Bomba Secundário
Item Frequência Vazão (m3/h) Vazão (l/s) Pressão (mCA) Ƞ* Potência consumida
1 60 Hz 167 46,389 20,0 0,57 16,18 2 55 Hz 152 42,222 18,2 0,57 13,40 3 50 Hz 138 38,333 16,6 0,52 12,17 4 45 Hz 121 33,611 15,1 0,52 9,70 5 40 Hz 105 29,167 13,6 0,50 7,89 6 35 Hz 87 24,167 12,0 0,50 5,77 7 30 Hz 68 18,889 10,6 0,47 4,24 8 25 Hz 41 11,389 9,0 0,40 2,55
Estimativa da Potência Consumida - Bomba Secundário - Carlos Gomes 222
Fonte: Autoria própria.
Central Térmica – Carlos Gomes 222 – Porto Alegre - RS *
O funcionamento do sistema de climatização do Carlos Gomes 222, sem significativas variações nas temperaturas internas e com o integral atendimento das cargas térmicas, é um indicativo de que as válvulas de controle atuam sem sofrer a interferência de variações nas pressões diferenciais, não ocorrendo a perda de autoridade ou distorções nas características de igual percentagem destas. A inexistência de ruídos anormais, quando em cargas parciais, é outro indicativo de que a estabilização das pressões diferenciais evita o acréscimo na pressão sobre a válvula de controle.
O ∆t no laço secundário, mesmo sofrendo alguma variação durante a operação, permanece próximo aos 10°C projetados, sendo mantida a vazão de água gelada também dentro de valores previstos.
O comissionamento nas redes hidráulicas foi feito em etapas e sem a interferência entre circuitos. O sistema hidráulico deixou de ser interativo. Podem ser feitas alterações nos ajustes das unidades terminais em uma casa de máquinas sem que esta alteração provoque um desequilíbrio de vazões no restante do sistema.
O uso de sistemas de controle de pressão diferencial comprovou ser útil para mitigar a degradação do ∆t no laço secundário.
