U.D. 02 PRINCIPIOS DE EQUILIBRADO HIDRÁULICO

1. INTRODUCCIÓN.

ESQUEMA DE INSTALACIÓN DE CLIMATIZACIÓN

Circuito 1 b-1-e-f-a

Circuito 2 b-2-e-f-a

Circuito 3 b-3-e-f- a

Circuito 4 b-g-4-j-f-a

Circuito 5 b-g-5-j-f-a

Circuito 6 b-g-6-j-f-a

ESQUEMA SIMPLE

SÍMIL ELÉCTRICO

p p p

Potencia calorífica = f (Caudal, Salto térmico) Los emisores se dimensionan en función de la potencia calorífica que tienen que suministrar Potencia calorífica = f (Caudal, Salto térmico)

Si no se calculó bien, pueden ser distintos los caudales reales de los caudales que hacen falta.

Cuando funcione la bomba, el caudal que les llegue a los elementos emisores debe ser el previsto en el estudio del dimensionado de la red.

Si el caudal no es el de diseño Desequilibrio térmico de la instalación.

Si el caudal no es el de diseño Defecto de caudal Exceso de caudal

Si el caudal no es el de diseño aumento del caudal de entrada Derroche de energía

PUESTA A PUNTO DEL EQUILIBRADO HIDRÁULICO Al finalizar su montaje, actuando sobre: las válvulas de asiento que debe haber al pie de las columnas de retorno los detentores de doble reglaje de los radiadores.

Válvulas para reglaje Asiento / Aguja compuerta bola mariposa

1.1. DISTRIBUCIÓN DE CAUDALES, PRESIONES Y TEMPERATURAS SIN EQUILIBRADO. PROBLEMÁTICA

Instalación de calefacción con numerosos emisores y ramificaciones. La distribución del caudal no es uniforme dado que las presiones que actúan en cada ramal son distintas.

Seleccionamos uno de los ramales con 5 emisores en paralelo.

= = = = En cada emisor: Los caudales son iguales Las presiones diferenciales nominales, para obtener las potencias seleccionadas, son iguales = = = = P5 P1 P2 P3 P4 P1 = P2 = P3 = P4 = P5

Al alejarnos de bomba aumenta la resistencia hidráulica La bomba impulsa el agua con una presión constante Los emisores más alejados tienen más dificultad para que les llegue el caudal necesario

En la figura se representa el diagrama de distribución de presiones en la instalación.

Circuito crítico Aquel que ofrece la mayor resistencia a la circulación del fluido. circuito crítico

La caída de presión en las cinco unidades terminales ha de ser la misma, ya que partimos del supuesto de que el caudal tenía que ser idéntico en todas ellas, por tanto: p1=p2=p3=p4=p5.

La figura muestra la distribución de presiones entre los puntos extremos de la unidad terminal 2.

Presión residual Pérdida en la tubería Caída de presión en la Unidad Terminal correspondiente al caudal de proyecto Presión residual

La distribución de presiones en los tramos de las unidades 1, 3 y 4 es similar. Presión residual

A mayor Presión Residual, más Caudal Las presiones residuales son la causa de que el caudal a través de las cinco unidades terminales varíe A mayor Presión Residual, más Caudal En este caso la instalación no estará equilibrada.

Una instalación está equilibrada desde el punto de vista hidráulico cuando el caudal en cualquier parte de la instalación se corresponde con los caudales definidos en el proyecto.

Consideremos la misma instalación, pero con cinco válvulas de equilibrado.

En este caso, el diagrama de presiones será el de la figura.

El caudal entre dos puntos se determina en función de la presión diferencial existente entre esos puntos R y la pérdida de carga producida en la tubería, las válvulas y las unidades terminales. p

El cálculo del caudal se realiza mediante la siguiente ecuación: p R El cálculo del caudal se realiza mediante la siguiente ecuación: qv = caudal p = caída de presión R = Pérdidas a lo largo del circuito (tuberías, unidades terminales, válvulas,…) n = Exponente = densidad del fluido El valor R se obtiene de las tablas correspondientes en los catálogos de los productos en cuestión. El exponente n toma valores diferentes en función del tamaño de la tubería.

Se denomina circuito crítico a aquel que ofrece la mayor resistencia a la circulación del fluido. Normalmente se corresponde con el circuito más alejado de la bomba.

Esta caída de presión se calcula mediante la siguiente ecuación: p5 = R5  (qv )n en la que R5 y qv son valores conocidos ya que representan respectivamente la pérdida de carga a lo largo del circuito crítico y el caudal de proyecto.

La caída de presión en las cinco unidades terminales ha de ser la misma, ya que partimos del supuesto de que el caudal tenía que ser idéntico en todas ellas, por tanto: p1=p2=p3=p4=p5

La figura muestra la distribución de presiones en el tramo de la unidad terminal 2 Pérdida en la tubería Caída de presión en la Unidad Terminal correspondiente al caudal de proyecto La válvula de equilibrado absorbe la presión residual y compensa el exceso de presión. Presión residual

En las unidades terminales 1, 3 y 4 sucede algo similar Pérdida en la tubería Caída de presión en la Unidad Terminal correspondiente al caudal de proyecto Presión residual

Se observa como, para que las presiones diferenciales sean iguales, es necesario conectar en serie con las unidades terminales otro elemento resistente al paso del fluido que absorba la caída residual de presión entre los tramos de las unidades terminales El elemento resistente es una válvula de equilibrado.

En muchas ocasiones el valor de la resistencia de paso de las válvulas no aparece en los catálogos de estos productos, y en su lugar se ofrecen los valores correspondientes al coeficiente kv o cv (en el caso de fabricantes norteamericanos). El coeficiente kv se define como el caudal de agua (densidad 1 kg/l) que pasa a través de la válvula, cuando la presión diferencial en la misma es de 1 bar. Este valor está medido en m3/h. Caudal 1 bar

La equivalencia entre el caudal de paso y la presión diferencial en la válvula viene dada por: qv en m3/h cuando p se expresa en bar En las válvulas de equilibrado, el coeficiente kv se corresponde a la situación de apertura total de la válvula.

RESUMEN En la red, el fluido preferirá ir por el camino más favorable, es decir aquél que tenga menor p. Para solucionar este problema, lo que tenemos que hacer es “confundir” al fluido para que no sepa cuál es el camino más fácil.

Calculamos el terminal que tiene mayor p, que es el más alejado de la bomba. Supongamos que valga 10 kPa. Los otros son p.ej.: 8, 6 y 4 kPa.

En cada terminal colocamos válvulas de equilibrado de manera que se equilibren las pérdidas, es decir que la pérdida de carga total sea 10 kPa. Ahora el fluido no tiene opción a elegir el camino más fácil

2. RAZONES PARA EL EQUILIBRADO HIDRÁULICO

INSTALACIONES NO EQUILIBRADAS Es frecuente montar grandes bombas que consigan los caudales necesarios en las unidades más desfavorables. Esto origina, además de los problemas indicados anteriormente, un excesivo gasto de energía eléctrica de dichas bombas.

INSTALACIONES EQUILIBRADAS VENTAJAS: Caudal correcto en calderas y enfriadoras Correcta distribución del fluido en la instalación y eficacia de la misma

INSTALACIONES EQUILIBRADAS BENEFICIOS: La temperatura ambiente requerida se mantiene dentro del rango establecido Ahorro de energía Consecución del grado de climatización perseguido. Eliminación de ruidos Reducción de averías (desgastes prematuros, bomba fuera de curva, etc.)

3. SISTEMAS DE EQUILIBRADO

Las válvulas de equilibrado tienen un asiento inclinado y dos tomas de presión.  Caudal  Kv  Posición de la válvula (Orificio de paso)  p

Los sistemas de equilibrado hidráulico pueden dividirse en dos grandes grupos: Equilibrado estático Equilibrado dinámico

La característica de las válvulas de equilibrado estático es que el área del orificio de paso, y en consecuencia su valor kv puede ajustarse y fijarse manualmente. El valor seleccionado para el kv se desprende de la posición del mando manual de la válvula, de acuerdo con su gráfico de equilibrado.

La característica de las válvulas de equilibrado dinámico es que se seleccionan previamente de acuerdo a los caudales de proyecto y de forma automática se ajusta el valor kv necesario, en función de las variaciones de presión diferencial en la instalación, para garantizar el caudal establecido en el proyecto.

La figura ilustra la diferencia de comportamiento entre las válvulas de equilibrado dinámico y estático y qué repercusiones tiene el empleo de uno u otro sistema en la variación del caudal en función de la presión diferencial en la instalación.

El caudal a través de una válvula de equilibrado estático aumenta de forma lineal con la presión diferencial, y disminuye cuando esta se reduce. Además, el caudal nominal (100%) no se alcanza hasta que la presión diferencial en la válvula alcanza el valor nominal p.

Las válvulas de equilibrado dinámico mantienen el caudal prácticamente constante (dentro de los límites del rango de regulación), independientemente de la presión diferencial en la válvula.

La instalación de la figura consta de un circuito de impulsión que alimenta a 3 circuitos principales de distribución que a su vez alimentan a 3 circuitos secundarios de distribución, cada uno de los cuales dispone de 3 unidades terminales, en total 27 unidades terminales.

En total son necesarias: 27 + 9 + 3 +1 = 40 válvulas de equilibrado. El equilibrado estático de la instalación requiere: una válvula de equilibrado por cada unidad terminal, otra válvula más en cada circuito secundario de distribución, otra más en cada circuito principal de distribución y por último una más para el circuito primario de impulsión. En total son necesarias: 27 + 9 + 3 +1 = 40 válvulas de equilibrado.

En el caso de equilibrado dinámico cada unidad terminal se equilibra independientemente del resto, por tanto solamente se precisa una válvula de equilibrado por cada unidad terminal. En total son necesarias: 27 válvulas de equilibrado. NOTA: Observar que las válvulas que no es necesario montar, son la de mayor díametro (y coste)

En la presente unidad didáctica nos referiremos únicamente a los sistemas de equilibrado estático.

3.1. DISPOSITIVOS DE EQUILIBRADO ESTÁTICO

Válvula y Detentor de doble reglaje (TRV/TRIM) Los principales componentes de los sistemas de equilibrado estático son: Válvula y Detentor de doble reglaje (TRV/TRIM) Válvula limitadora de caudal (STAD/STAF/ Válvula micrométrica) Válvula estabilizadora de presión diferencial (STAP) Válvula de medición y corte (STAM) Válvula de presión diferencial (AVDO/BPV) NOTA: Al seleccionar los dispositivos, nos hemos basado en los que componen el banco de equilibrado TCF 122 de Didactec Technologie. En otras marcas tienen otras denominaciones comerciales.

3.1.1. Válvula y Detentor de doble reglaje RADITRIM TRIM

Las válvulas y detentores de doble reglaje son aquéllas cuya apertura máxima puede limitarse mediante una actuación interna, permitiendo así regular la entrada máxima de agua al emisor. RADITRIM TRIM

Ejemplo de aplicación: Teniendo en cuenta que la superficie del emisor se mantiene constante, para conseguir la potencia necesaria de acuerdo con las necesidades de diseño, se debe actuar sobre la válvula o el detentor limitando el caudal.

Ejemplo de aplicación: En la figura se muestra el ejemplo de uno o varios locales alimentados por un ramal común con unidades terminales de diferente potencia y requiriendo por lo tanto diferentes caudales para asegurar la temperatura ambiente común

3.1.2. Válvula limitadora de caudal. STAD STAF

Al igual que la válvula y el detentor de doble reglaje, permite limitar el caudal que circula a través de ella, facilitando la medición de la presión diferencial. STAD STAF

Ejemplo de aplicación: En la figura se muestra el ejemplo de uno o varios locales alimentados por un ramal común con unidades terminales de diferente potencia y requiriendo por lo tanto diferentes caudales para asegurar la temperatura ambiente común

3.1.3. Válvula estabilizadora de presión diferencial STAP

Se encarga de mantener una diferencia de presión constante entre dos puntos de un circuito hidráulico para garantizar su equilibrio. Debe ir acompañada de una válvula de limitación de caudal o una válvula de medición

Principio de funcionamiento Las dos presiones hidráulicas se aplican a una y a otra parte de la membrana. La fuerza aplicada al vástago es proporcional a su diferencia. Un muelle se encarga de establecer el equilibrio modificando la posición del vástago y por consiguiente, el grado de abertura de la válvula. La regulación de la tensión del muelle permite modificar la consigna del regulador.

Ejemplo de aplicación: En las válvulas STAM y STAP de cada una de las columnas de la figura realizamos la medición de presión en ida y retorno de su propia columna, siendo la válvula diferencial quien valora la presión diferencial. Actuando sobre la válvula STAP ajustaremos la presión diferencial de la columna.

3.1.4. Válvula de medición y corte. STAM

Utilizada como elemento de corte y medición En algunos modelos sirve también para vaciado de la instalación. Se diferencia de la STAD en que carece de sistema de limitación de caudal STAM

Ejemplo de aplicación: Las válvulas STAM colocadas en la base de la columna, nos permiten el corte de ésta y a la vez nos facilitan la medición de señal para la válvula STAP.

3.1.5. Válvula de presión diferencial . AVDO (Danfoss) BPV (T&A)

La válvula de presión diferencial mantiene entre sus extremos la presión diferencial constante. En las instalaciones a caudal variable la válvula de presión diferencial, puede montarse con los siguientes objetivos: Transformar una distribución a caudal variable en una a caudal relativamente constante. Asegurar el caudal mínimo de protección de la bomba. Reducir el salto térmico en tuberías. Limitar el aumento de la presión diferencial en ciertos circuitos.

Ejemplo de aplicación: Imaginemos que las unidades terminales de la figura coinciden con radiadores que, de acuerdo con el RITE, deben ir provistos de válvulas termostáticas. A medida que va alcanzándose la temperatura de consigna, las válvulas termostáticas van procediendo a su cierre, aumentando por lo tanto la presión y el caudal en el resto de los radiadores que permanezcan abiertos. En estas circunstancias la válvula de presión diferencial BPV mantiene entre sus extremos A y B, la presión diferencial constante y desvía el exceso de caudal a través de ella, manteniendo constante la presión y caudal que pasa a través de los radiadores abiertos.

3.1.6. Unidad de medida . TA LOOP

Sirve para realizar mediciones. Sus dos tomas están anidadas en color rojo. TA LOOP

4. SELECCIÓN DEL MÉTODO DE EQUILIBRADO MÁS ADECUADO.

Cuando se ajusta el caudal en una válvula de equilibrado, las pérdidas de carga en la válvula y en la tubería se modifican, así como también, las presiones diferenciales aplicadas en otras. Esto significa que cada ajuste de caudal en una válvula, desajusta el caudal ya ajustado en otras; es decir, que los circuitos son interactivos. La diferencia principal entre los diferentes métodos de equilibrado radica en la forma de compensar esta interactividad.

Ciertos métodos no la compensan de ninguna forma, obligando al operario a ajustar varias veces la misma válvula hasta conseguir que el caudal medido converja con el deseado; es decir, aplicando un proceso interactivo. Otros métodos como el Proporcional, el de Compensación y el TA Balance, que se describen a continuación, compensan directa o indirectamente los fenómenos mencionados de interactividad hidráulica.

Sin embargo, ninguno de estos métodos puede aplicarse para equilibrar distribuciones con retorno invertido, dado que se trata de un sistema autoequilibrado en el que la pérdida de carga en cualquier punto de la instalación es la misma.

5. MÉTODOS DE EQUILIBRADO.

Entre los sistemas de equilibrado hidráulico cabe destacar los siguientes: Método proporcional Método de compensación Método TA Balance

5.1. EL MÉTODO PROPORCIONAL

El principio fundamental del Método Proporcional se basa en el hecho que las variaciones de la presión diferencial aplicada a un circuito modifican el caudal en sus terminales en la misma proporción. 100 l/s 10 l/s 20 l/s 40 l/s 150 l/s 15 l/s 30 l/s 60 l/s

El Método Proporcional se describe muy brevemente a continuación ya que está ampliamente superado y sustituido por el Método de Compensación y por el TA Balance Sólo examinaremos, paso a paso, el procedimiento de equilibrado del ramal de una columna. La secuencia sería la siguiente:

1. Medir caudal Mantener ABIERTA

2. Calcular para cada uno de los terminales, el factor de caudal  Identificar el terminal con el factor de caudal más bajo min.

3. Utilizar la válvula de equilibrado del último terminal del ramal como referencia (STAD.1.2.5). Válvula de referencia

4. Ajustar la válvula de referencia STAD-1.2.5., de forma que 5=min.

5. 4=5 Volver a ajustar 5

6. Ajustar el caudal en los otros terminales del ramal, en dirección a la bomba. 4=5 3=5 Volver a ajustar 5

4=5 3=5 Volver a ajustar 5 2=5

4=5 3=5 2=5 2=5 Volver a ajustar 5

4=5 3=5 2=5 5 Ajustar para que 5 =1

todos los caudales se corresponderán con los valores de diseño. 4=1 3=1 2=1 5 =1

7. Repetir el procedimiento a todos los ramales de la misma columna.

5.2. EL MÉTODO DE COMPENSACIÓN

5.2.1. Definiciones

Un módulo consta de varios circuitos (unidades terminales) conectadas, en retorno directo, a las mismas tuberías de impulsión y retorno. Cada circuito posee su propia válvula de equilibrado y el módulo dispone de una válvula general, llamada de compensación.

Una vez equilibrados individualmente todos los circuitos de un ramal, estos constituirán un módulo cuya válvula de compensación es la de equilibrado principal asociada a la columna.

Una vez equilibradas individualmente todas las columnas, éstas constituirán un módulo cuya válvula de compensación es la de equilibrado principal asociada a la bomba.

El Método de Compensación ofrece tres ventajas fundamentales: Equilibrados parciales. Puede equilibrarse la instalación por etapas, mientras su montaje continúa, sin necesidad de reequilibrar la misma cuando esté totalmente terminada. Equilibrado más rápido. Cada válvula se ajusta una sola vez. Optimización de los costes de bombeo. Cuando el equilibrado está terminado, puede medirse en la válvula de equilibrado principal el sobredimen-sionamiento de la bomba. Como consecuencia, puede reducirse su altura manométrica con sustanciales ahorros energéticos

La perturbación en un módulo se detecta en la válvula de equilibrado más alejada de la bomba, que se denomina válvula de referencia. La perturbación se compensa en la válvula de equilibrado que controla el caudal total del módulo que se denomina válvula de compensación. Actuando sobre ésta última se restituye en la de referencia la presión diferencial ajustada inicialmente, cada vez que ocurre una perturbación.

5.2.2. Equipo necesario

Se necesitan dos instrumentos CBI para medir presiones diferenciales y caudales en las válvulas de equilibrado.

5.2.3. Equilibrado de los terminales de un ramal

Inicialmente, la válvula de referencia se ajusta al caudal de diseño Ajustar a Caudal de diseño pR

Ajustar a Caudal de diseño pR

Se reajusta el caudal de diseño en la válvula de referencia actuando sobre la de compensación. pR Ajustar para que vuelva a ser pR

Caudal de diseño Ajustar a Caudal de diseño pR

Caudal de diseño pR Ajustar para que vuelva a ser pR

Caudal de diseño Ajustar a Caudal de diseño pR

Caudal de diseño pR Ajustar para que vuelva a ser pR

Caudal de diseño Ajustar a Caudal de diseño pR

Caudal de diseño pR Ajustar para que vuelva a ser pR

Este procedimiento que, puede aplicarse con independencia del número de terminales del ramal, debe llevarse a cabo en dirección a la bomba, comenzando por la válvula de referencia.

5.2.4. Equilibrado de los ramales de una columna

pR Ajustar a Caudal de diseño

pR Ajustar a Caudal de diseño

pR Caudal de diseño Ajustar para que vuelva a ser pR

pR Caudal de diseño Ajustar a Caudal de diseño

pR Caudal de diseño Ajustar para que vuelva a ser pR

5.2.5. Equilibrado de las columnas montadas sobre una tubería principal

Ajustar a Caudal de diseño pR

Ajustar a Caudal de diseño pR

Caudal de diseño Ajustar para que vuelva a ser pR pR

Cuando el equilibrado de las columnas 7. , 6. ,etc Cuando el equilibrado de las columnas 7.0., 6.0.,etc., esté terminado, la instalación estará completamente equilibrada para el caudal de diseño. La pérdida de carga en la STAD-0 determina el sobredimensionamiento de la bomba. Si es excesiva, se recomienda sustituir la bomba, modificar su rodete o variar su velocidad.

5.3. EL MÉTODO TA BALANCE

El Método TA Balance diseñado por la empresa TA Hydronics (Tour & Anderson Hydronics) está programado en el instrumento de equilibrado CBI. Ofrece además de las tres ventajas del Método de Compensación, la posibilidad de equilibrar toda la instalación con un solo operario y un único instrumento de medida CBI.

Estas cuatro ventajas son las siguientes: Equilibrados parciales. Equilibrado más rápido. Optimización de los costes de bombeo. Un solo operario y un único instrumento de medida.

5.3.1. Preparación del procedimiento

Durante las mediciones se supone que la presión diferencial “H” a la entrada del módulo se mantiene constante. Constante

Para asegurar que la pérdida de carga en las válvulas de equilibrado sea suficiente para obtener medidas correctas, se preajustan al 50% de su apertura (2 vueltas en las STAD´s).

La válvula de compensación del módulo debe estar totalmente abierta durante su procedimiento de equilibrado. Totalmente Abierta

El método TA Balance requiere que las válvulas se enumeren: La primera válvula después de la de compensación deberá ser la número 1, numerando las siguientes sucesivamente 2, 3, … La de compensación no se enumera en esta fase.

5.3.2. Procedimiento

El procedimiento se aplica a cada módulo de manera independiente. El CBI facilita en pantalla las instrucciones paso a paso del procedimiento.

1 - Abrir totalmente la válvula de compensación. Para cada válvula y en cualquier orden dentro del módulo, se aplica el siguiente procedimiento: 1 - Abrir totalmente la válvula de compensación. Totalmente Abierta

2 - Preajustar todas las válvulas al 50% de su apertura.

3 - Elegir cualquier válvula.

4 - Conectar el CBI. Este pregunta por el nº de válvula asignado y hace una primera medida.

5 - Cerrar la válvula completamente. Totalmente Cerrada

6 - El CBI realiza una segunda medida a válvula cerrada.

7 - Reabrir la válvula a la posición anterior.

8 - Elija otra válvula (paso 3) y repita el procedimiento hasta finalizar el módulo.

9 - Medir la válvula de compensación totalmente cerrada.

El CBI calcula las posiciones de ajuste de todas las válvulas de equilibrado del módulo. Las válvulas deben fijarse y bloquearse en dichas posiciones. Posición 4 Posición 5 Posición 1 Posición 3 Posición 2

Los caudales correctos se alcanzarán cuando se ajuste la válvula de compensación al caudal total requerido en el módulo. Caudal TOTAL del módulo

Los resultados se imprimen vía PC, proporcionando una lista de las válvulas de equilibrado, sus posiciones y sus caudales de control si éstos datos hubieran sido almacenados en la memoria del CBI.

ITZULI