HIDRÁULICA NOS SISTEMA DE AVAC UMA FORMA RACIONAL DE DISTRIBUIR E FORNECER ENERGIA
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- Kléber da Fonseca Pinho
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1 UMA FORMA RACIONAL DE DISTRIBUIR E FORNECER ENERGIA 1
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3 Esta apresentação refere-se a circuitos fechados de: água quente; água refrigerada; que utilizam caldeiras ou chillers em regime de caudal constante. Não serão considerados: circuitos abertos; circuitos torres de arrefecimento; circuitos solares circuitos para geotermia... 3
4 Nos sistemas de AVAC a energia térmica frio ou calor - é produzida no local onde tem que ser... porque não há outro pior, sendo seguidamente encaminhada até aos consumidores, através de uma rede de tubagem; Nas instalações de AVAC existem, classicamente, três veículos de transporte da energia, que circulam dentro das tubagens: Ar Água/ Água glicolada Fluídos frigorigénios 4
5 Ao usar a água como veículo de transporte e distribuição de energia térmica, pretende-se: optimizar a distribuição e a entrega da energia necessária ao tratamento ambiental de cada espaço ; confinar a presença do fluído frigorigéneo e/ ou combustíveis a um número reduzido de pontos, se possível a um só local; criar as condições de base, indispensáveis, para que o sistema de controlo proporcione um elevado nível de conforto aos utilizadores; minimizar os espaços destinado às instalações técnicas. 5
6 Esquema de Princípio AHU Coil loop recuperador de calor AHU AHU Baterias locais Radiadores M M M M M Fan coils Chiller Bomba de Calor Bomba principal 6
7 HIDRÁULICA NOS SISTEMA DE AVAC Todos os sistemas hidráulicos têm três departamentos Departamento de produção Chillers Caldeiras Permutadores de calor... 7
8 VARIAÇÃO DO CAUDAL COM A POTÊNCIA NOS GERADORES 8
9 HIDRÁULICA NOS SISTEMA DE AVAC Departamento de distribuição Rede de tubagens Bombas Válvulas Colectores hidráulicos Separadores hidráulicos/ garrafas hidráulicas Purgadores e separadores de ar Filtros e separadores de lixo/ partículas Vasos de expansão Tratamento de água... 9
10 HIDRÁULICA NOS SISTEMA DE AVAC Tipos de Bombas End Suction End Succion Split Case Em linha rotor seco Em linha rotor húmido e com variador Em linha geminadas e V.V. Em linha rotor seco 10
11 Tipos de Bombas 11
12 HIDRÁULICA NOS SISTEMA DE AVAC Rendimento da bomba RPM HZ 100% 90% 80% 70% 60% 50% O rendimento da bomba depende do seu ponto de funcionamento. Por norma uma bomba grande, terá melhor rendimento que uma bomba pequena % 0 12
13 Bombas em Paralelo e em Série Bombas em paralelo Bombas em série 13
14 Bombas, Lei das afinidades/ Lei das Bombas/ Lei dos Ventiladores Alterar a velocidade de rotação de uma bomba altera o seu ponto de funcionamento e performances... Ex.: Redução da velocidade de rotação para metade, do valor original = ø ö ç è æ = ø ö ç ç è æ = n x n x n n Q Q = ø ö ç è æ = ø ö ç ç è æ = n x n x n n H H ,6 3 3 = ø ö ç è æ = ø ö ç ç è æ = n x n x n n P P [m 3 /h] [m] [kw]
15 Válvulas, K vs (parâmetro característico das válvulas) O K vs, é o parâmetro característico da válvula e define-se como: Caudal que atravessa a válvula [m 3 /h] quando está toda aberta e sujeita a uma pressão diferêncial de 1 bar V = K $% P O K vs permite calcular o caudal que atravessa a válvula, quando está toda aberta, caso conheçamos a perda de carga. Ou a perda de carga na válvula se conhecermos o caudal. 15
16 Válvulas, curvas características Diferentes tipos de válvula, têm distintas curvas características, destinando-se a utilizações especificas e gerando diferentes perdas de carga! 16
17 Válvulas e Filtros Y Válvula de Cunha DN 65 Kvs= 411 Válvula Macho Esférico DN 65 Kvs= 593 Válvula de Borboleta DN 65 Kvs= 240 Válvula Globo DN 65 Kvs= 63 Tipo de válvula DN K vs Fonte DP (Pa) Válvula de cunha/ adufa Crane 85 Válvula globo Crane 3,628 Válvula de borboleta (aberta a 80º) Crane 250 Válvula de macho esférico Crane 41 Válvula de retenção tipo: Disco simples/ "swing" 75 VELAN 2, Disco partido 109 VELAN 1,212 Pistom com mola 39 VELAN 9,467 Válvula de balanceadora (STAF) IMI-TA 1,993 Válvula de controlo de pressão diferêncial (STAP) IMI-TA 11,111 Válvula de controlo de duas vias de I.P.M. K vs máximo HORA 3,628 K vs mínimo 50 HORA 5,760 Válvula triplo efeito com K vs variável K vs máximo IMI-TA 3,367 K vs mínimo 25.5 IMI-TA 22,145 Filtro tipo Y Crane 1,739 Separador partículas Spirotech 967 Separador ar Spirotech 967 Separador ar e partículas Spirotech 967 Separador hidráulico MAGRA 29 17
18 Válvulas e Filtros Y Válvula de retenção disco simples DN 65 Kvs= 75 Válvula de retenção disco partido DN 65 Kvs= 109 Tipo de válvula DN K vs Fonte DP (Pa) Válvula de cunha/ adufa Crane 85 Válvula globo Crane 3,628 Válvula de borboleta (aberta a 80º) Crane 250 Válvula de macho esférico Crane 41 Válvula de retenção tipo: Disco simples/ "swing" 75 VELAN 2, Disco partido 109 VELAN 1,212 Piston com mola 39 VELAN 9,467 Válvula de balanceadora (STAF) IMI-TA 1,993 Válvula de controlo de pressão diferêncial (STAP) IMI-TA 11,111 Válvula de controlo de duas vias de I.P.M. K vs máximo HORA 3,628 K vs mínimo 50 HORA 5,760 Válvula triplo efeito com K vs variável K vs máximo IMI-TA 3,367 K vs mínimo 25.5 IMI-TA 22,145 Filtro tipo Y Crane 1,739 Separador partículas Spirotech 967 Separador ar Spirotech 967 Separador ar e partículas Spirotech 967 Separador hidráulico MAGRA 29 18
19 Válvulas e Filtros Y Filtro Y DN 65 Kvs= 65 Válvula balanceadora Válvula de retenção de piston DN 65 Kvs= 39 DN 65 Kvs= 65 Tipo de válvula DN K vs Fonte DP (Pa) Válvula de cunha/ adufa Crane 85 Válvula globo Crane 3,628 Válvula de borboleta (aberta a 80º) Crane 250 Válvula de macho esférico Crane 41 Válvula de retenção tipo: Disco simples/ "swing" 75 VELAN 2, Disco partido 109 VELAN 1,212 Piston com mola 39 VELAN 9,467 Válvula de balanceadora (STAF) IMI-TA 1,993 Válvula de controlo de pressão diferêncial (STAP) IMI-TA 11,111 Válvula de controlo de duas vias de I.P.M. K vs máximo HORA 3,628 K vs mínimo 50 HORA 5,760 Válvula triplo efeito com K vs variável K vs máximo IMI-TA 3,367 K vs mínimo 25.5 IMI-TA 22,145 Filtro tipo Y Crane 1,739 Separador partículas Spirotech 967 Separador ar Spirotech 967 Separador ar e partículas Spirotech 967 Separador hidráulico MAGRA 29 19
20 Purgadores, separadores de ar e vasos de expansão 20
21 Departamento dos consumidores Baterias Ar/ Água Radiadores Convectores Permutadores de calor Tecto radiante Chão radiante... 21
22 CAUDAL vs POTÊNCIA NA BATERIA CAUDAL vs POTÊNCIA NOS GERADORES 22
23 Bypass VARIAÇÃO DE CAUDAL NO PRIMÁRIO, SECUNDÁRIO E BYPASS EM FUNÇÃO DO Nº DE CHILLERS EM FUNCIONAMENTO CAUDAL DE ÁGUA (%) Primário (%) Bypass (%) Secundário (%) NÚMERO DE CHILLERS EM SERVIÇO 23
24 Em situação alguma os três departamentos podem ser vistos como independentes uns dos outros! 24
25 Tipo de sistema Existem diversas formas de classificar sistemas hidráulicos No entanto iremos somente referir as duas mais conhecidas: Sistemas de caudal constante Fazem uso de: Válvulas de controlo de três vias; Bombas de caudal constante. Não admitem factor de simultaneidade A pressão no interior da instalação é mais ou menos constante ao longo do tempo Por norma o DT na água é sempre inferior ao ideal: a temperatura de retorno aos chillers tende a ser mais baixa que o ideal [por cada grau a menos de entrada de água no chiller o consumo eléctrico aumenta cerca de 4% (dados dos fabricantes)] a temperatura de retorno às caldeiras tende a ser mais alta que o pretendido São razoavelmente simples e baratos de construir e manter São energeticamente maus 25
26 Tipo de sistema Sistemas de caudal constante (válvulas de três vias misturadoras) 26
27 Válvulas de três vias misturadoras 27
28 Tipo de sistema Sistemas de caudal variável Fazem uso de: válvulas de controlo de duas vias; Bombas de caudal constante ou variável. Admitem factor de simultaneidade A pressão no interior da instalação varia ao longo do tempo Por norma o DT na água é próximo do ideal [por cada grau a menos de entrada de água no chiller o consumo eléctrico aumenta cerca de 4% (dados dos fabricantes)] São algo mais complicados de projectar e construir (fundamentalmente no referente ao sistema de controlo) que os sistemas de caudal constante São bons do ponto de vista do rendimento energético São fáceis de manter e conduzir 28
29 Válvulas de duas vias 29
30 Tipo de sistema Sistemas de caudal variável (válvulas de duas vias) 30
31 Simultaneidade Consideremos um edifício com, por exemplo, muitas fachadas Consideremos que a carga térmica predominante resulta da radiação solar Durante o período da manhã as salas situadas na fachada Este tem maior carga térmica que as salas situadas na fachada Oeste À tarde, obviamente passa-se o contrário... 31
32 Simultaneidade 32
33 Simultaneidade Se considerarmos que a carga térmica do piso é igual à soma das cargas máximas de todas as salas, independentemente da hora a que estas se verificam. A carga a considerar será de 46 kw; Neste caso e para um sistema de frio (DT= 5K) no troço de tubagem a terá que passar um caudal de 7,91 m 3 /h e a tubagem deverá ser DN 65; 33
34 Simultaneidade Consideremos, agora, que a carga térmica a considerar no piso corresponde não à hora de maior carga nas salas ou fachadas, per si, mas há hora em que a carga é máxima no piso visto como um todo (no nosso caso 16 horas) Agora, para o mesmo sistema, a potência térmica será de 34 kw, no tramo de tubagem a passarão 5,85 m 3 /h e a tubagem deverá ser DN 50; Em ambas as situações, as cargas térmicas, o caudal de água e as tubagens, sala-a-sala serão consideradas sempre com os seus valores máximos. 34
35 Simultaneidade Do que acabamos de dizer, resulta que, há duas maneiras, legitimas, de calcular a potência do chiller, o caudal de água nos tramos da tubagens de distribuição (a, b, c, d) e os respectivos diâmetro: 1. Ou como o somatórios de todos os valores individuais máximos sala-asala, o que conduz a sistemas de caudal constante que usam válvulas de três vias; 1. Ou como o valor máximo no espaço - como um todo - independentemente do que se passa em cada uma das salas, o que conduz a sistemas de caudal variável, que usam válvulas de duas vias. Ao rácio entre o caudal total no tramo a, calculado em regime de caudal variável e em regime de caudal constante, chamase SIMULTANEIDADE : Simultaneidade = V $5:;á$=8 V >?@%A5@A= No presente caso Simultaneidade = B,DE FE /H I,JK F E /H = 73,7% 35
36 Independência Hidráulica 36
37 Sistemas com válvulas de três vias SISTEMA COM UM GERADOR DE ENERGIA SISTEMA COM N GERADORES DE ENERGIA 37
38 Sistemas com válvulas de três vias Caso se queira parar, por exemplo o Chiller II, porque não necessitamos de toda a potência gerada pelos dois chillers, o que se irá passar? (Para simplificar consideramos que os dois chillers são iguais) O sistema é de velocidade constante, logo, não podemos parar a bomba do chiller II A água entra no Chiller I a 12 e sai a 7 ºC A água entra no chiller II a 12 e sai 12 ºC O que implica que a água vai para a instalação a 9,5 ºC e não a 7 ºC como pretendido (mais 35,7%) Como para desumidificar necessitamos da água a 7 ºC, o sistema irá funcionar mal! 38
39 Sistemas com válvulas de três vias EER vs Temperatura de Retorno Como nenhum dos chillers pode ser parado, caso não haja carga térmica a combater a temperatura de retorno baixa substancialmente à entrada do colector de retorno (as válvulas de três vias fecham a via que alimenta a bateria) o que reduz significativamente o Energy Eficiency Rate - EER - do chiller. Se a temperatura de retorno passar de 12 a 9 ºC, o EER, baixa de 4,65 para cerca 3,8 39
40 Sistemas com válvulas de duas vias Um bypass independente 40
41 Sistemas com válvulas de duas vias Bombas só no primário 41
42 Sistemas com válvulas de duas vias 120 VARIAÇÃO DE CAUDAL NO PRIMÁRIO, SECUNDÁRIO E BYPASS EM FUNÇÃO DO Nº DE CHILLERS EM FUNCIONAMENTO CAUDAL DE ÁGUA (%) Primário (%) Bypass (%) Secundário (%) NÚMERO DE CHILLERS EM SERVIÇO 42
43 VÁLVULA ENTRE COLECTORES 43
44 Sistemas com válvulas de duas vias Bombas só no primário 44
45 Sistemas com válvulas de duas vias Bombas só no primário 45
46 Válvulas de controlo Conjugação Válvula de Controlo Bateria Situação Ideal 46
47 Válvulas, K vs Para as válvulas de controlo - clássicas - os valores dos K vs produzidos seguem a série de Reynard: K vs : 0,25 0,4 0,63 1,0 1,6 2,5 4,0 6, , , Consideremos uma válvula que é atravessada por 15 m 3 /h e que deve provocar uma perda de carga de 18 kpa (0,18 bar). O K vs, calculado, desta válvula é 35,36 Como só existem os K vs acima (não há valores intermédios) as válvulas são, por norma sobredimensionadas... No nosso caso, escolhemos K vs = 40 e a válvula produzirá um DP= 14,1 kpa (se tivéssemos usado o Kv= 31,5 a perda de carga seria de 22,7 kpa... o que podia não ser simpático para a bomba e para os custos de bombagem) 47
48 Válvulas de controlo A curva característica da válvula de controlo só é, a representada nos slides 15 e 46 caso a autoridade da válvula, b, seja igual ou superior a 50% (0,5) O que é a autoridade de uma válvula de controlo? 48
49 Autoridade da válvula de controlo 49
50 Gama de Regulação da Válvula de Controlo Antes de prosseguir, convém ainda fazer conhecimento com mais um parâmetro definidor das válvulas de controlo Intervalo de Regulação (R a ) - Rácio entre o caudal máximo e mínimo que a válvula consegue controlar Por norma R a tem um valor entre os 25 e 30, mas há casos em que é igual a 100 Se R a = 25 então o caudal mínimo controlável será 4% do caudal máximo que a válvula pode controlar. Com 4% de caudal a bateria entrega cerca de 10% da sua potência Na realidade o Intervalo de Regulação é função da autoridade, b, da válvula e para a calcular usamos a expressão: Se, por exemplo a autoridade fosse de 50%, o caudal mínimo controlado seria de 5,16% (emissão de 20%), mas se só fosse de 20%, o caudal mínimo controlável passaria a ser de 8,9% (emissão de 35%). Onde q max corresponde a 100% do caudal nominal na válvula não sobredimensionada50
51 Sistemas com válvulas de duas vias Bombas no primário e no secundário 51
52 Sistemas com válvulas de duas vias Bombas no primário e no secundário O caudal no primário (produção) tem que ser sempre superior ao caudal no secundário (distribuição) 52
53 Sistemas com válvulas de duas vias Bombas no primário e no secundário 53
54 GARRAGA HIDRÁULICA 54
55 GARRAGA HIDRÁULICA GARRAFA HIDRÁULICA DEPÓSITO NÃO SERVE DE GARRAFA HIDRÁULICA 55
56 Sistemas com válvulas de duas vias Bombas no primário e no secundário 56
57 Sistemas com válvulas de duas vias Bombas no primário e no secundário 57
58 Sistemas com válvulas de duas vias Bombas no primário e no secundário 58
59 Sistemas com válvulas de duas vias Bombas no primário C. Constante e no secundário C. Variável 59
60 Bombas de velocidade variável Diferentes colocações da sonda de pressão diferêncial 60
61 Rendimento do motor O rendimento do motor depende da classe de motor IE 3 ou IE 2 (antigas EFF1 e EEF 2) e da carga. Uma carga abaixo de 25% significa uma queda no rendimento Divisão de perdas num motor Rendimento à velocidade nominal em função da carga 61
62 Rendimento do variador de velocidade Rendimento do Variador (Conversor de frequência) Hz Rendimento % Hz 40 Hz 45 Hz Potência ao Veio % 62
63 Rendimento Bomba + Motor + Variador h d x h m x h p = h t P4 Potência Hidráulica Rede de abastecimento Pump Motor Variador P1 Potência à rede 63
64 Bombas de velocidade variável Diferentes tipos de controlo Bombas principais Bomba shunt caldeira Bomba filtragem Circuitos mistura Superficies de aqueciemento Recuperador de calor Produção AQS Recirculação AQS Manutenção de pressão Curva const. P. constante Pressão diferêncial constante Pressão diferêncial auto proporcion al Pressão diferêncial proporcion al (calculada) Pressão diferêncial proporcion al (medida) Cont. temp. V. constante 64
65 Bombas de velocidade variável Diferentes tipos de controlo H 1.Sem controlo 2.Pressão constante 3.Pressão proporcional (calculada) 4.Pressão proporcional (medida) 5.Controlo através da temperatura Potência Consumida [%] % 100% Q Caudal [%] 65
66 Consumidores/ Unidades Terminais Em condições de funcionamento nominal todos os terminais e geradores de energia têm que receber o caudal de projecto 66
67 Consumidores/ Unidades Terminais 67
68 Consumidores/ Unidades Terminais 68
69 Equilibragem A forma racional de garantir que cada terminal e cada gerador de energia (chiller, caldeira,...) recebe o seu caudal de projecto, é balancear hidraulicamente a instalação O balanceamento hidráulico, efectivo, implica o uso de uma série de ferramentas : 1. correcto dimensionamento do sistema 2. divisão do sistema em sub-sistemas, quando e se necessário 3. uso de válvulas equilibradoras 4. uso de bombas de velocidade variável em conjugação com válvulas de limitação de DP, quando necessário 5. caso seja necessário, uso de um método coerente de balanceamento 6. possibilidade de efectivamente medir os caudais 69
70 Equilibragem TEMPO DE ARRANQUE DA INSTALAÇÃO Se o sistema não estiver balanceado os seus tempos de arranque serão muito superiores, ao que seria necessário caso o sistema estivesse balanceado 70
71 Equilibragem Ao desviarmo-nos da temperatura ambiente, média, pretendida para o edifício, aumentamos os custos energéticos do sistema: Ciclo de arrefecimento (Verão) Menos 1 ºC mais 12 a 18 % de energia Ciclo de aquecimento (Inverno) Mais 1 ºC mais 6 a 11 % de energia 71
72 Equilibragem 72
73 Consumidores/ Unidades Terminais A pressão diferêncial que se exerce sobre cada uma das válvulas de controlo não deve sofrer grandes variações 73
74 Controlo do DP nos terminais 74
75 Controlo do DP nos terminais 75
76 Controlo do DP nos terminais 76
77 K vs Infinitamente variável 77
78 Sistema de controlo /Anel de controlo ideal Um anel de controlo tipo é composto pelo: sensor controlador, que recebe o sinal proveniente do sensor, compara-o com o setpoint, U, e envia um sinal de comando ao actuador actuador, que tem uma resposta linear válvula de controlo, que deve ter uma curva característica do tipo Igual Percentagem Modificada bateria ar/ água, que, como sabemos, não tem uma característica linear (ver slide nº 46) espaço a ser climatizado e controlado, que é afectado por perturbações diversas. 78
79 ANEL DE CONTROLO Perturbações exteriores Parâmetros exteriores que têm influência nas necessidades térmicas Parâmetros interiores que têm influência nas necessidades térmicas Outras zonas Vento Radiação solar Iluminação Equipamentos Eléctricos Iluminação Ocupantes 79
80 Anel de controlo 80
81 OBRIGADO PELO VOSSO TEMPO E ATENÇÃO 81
82 82
83 FIM 83
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