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. Fonte: Autor adaptado de Contimetra, 2012, p.23.
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 Δpmax
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 Cortesia Oventrop 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 Desvantagem de ter Kv fixo, dificultando a escolha do modelo mais adequado em algumas situações. o Utilizada em série com as válvulas de Cortesia TA controle, restringe a vazão máxima; 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.
Válvulas de balanceamento estático 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 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. Cortesia TA
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; o Resfriadores de líquido recebem água em temperaturas mais baixas;
"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 o o Manutenção lado água e lado ar. Eliminar o uso de válvulas de três vias para controle das unidades terminais; 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 o o o Pressão diferencial estável sobre a válvula de controle; Utilizar válvulas para balanceamento estático nas unidades terminais; Ajuste correto no set point de temperatura dos ambientes; Limitar temperatura ambiente mínima na automação.
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 Set point.
Bomba centrífuga com vazão variável * o Leis de Afinidade ou Leis das Bombas Vazão e Rotação Q2 = Q1 N2 N1 Vazão varia com relação linear em relação à variação de rotação; Pressão e Rotação p2 = p1 N2 N1 Pressão varia com uma relação quadrática em relação à vazão e à rotação; 2 Potência e Rotação P2 = P1 N2 N1 3 Potência varia com uma relação cúbica em relação à vazão e à rotação.
Carlos Gomes 222 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.
Carlos Gomes 222 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;
Carlos Gomes 222 o Dados de seleção dos resfriadores de líquido, plena carga. 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
Carlos Gomes 222 o Fotografia com vazões e temperaturas de água previstas para plena carga
Carlos Gomes 222 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
Detalhe de montagem da rede hidráulica para instalação da unidade terminal o Detalhamento dos componentes; o Dimensionamento das tubulações; o Dimensionamento da V2V; o Dimensionamento da VB.
Dimensionamento das válvulas de balanceamento estático e das válvulas de controle de duas vias Casa de máquinas Pavimento Tipo - Conjuntos final 01 - Unidade terminal menos favorecida é a Centro 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 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.
Dimensionamento das válvulas de balanceamento dinâmico 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. Fonte: Autoria própria.
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
Selecionamento da bomba utilizada no laço secundário 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 Fonte: Autoria própria.
Selecionamento da bomba utilizada no laço secundário Estimativa da Potência Consumida Bomba Secundário Estimativa da Potência Consumida - Bomba Secundário - Carlos Gomes 222 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 Fonte: Autoria própria.
Central Térmica Carlos Gomes 222 Porto Alegre - RS * Resfriadores Carrier 30GXE 267
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.
Muito Obrigado! Eng. Mec. Rafael Buratto Especialista em Construções Sustentáveis rafael@ejr.com.br