Válvulas de control en sistemas hidráulicos (I)

En esta oportunidad veremos cómo funcionan las válvulas de control por medio de un modelado para obtener ahorros significativos en los sistemas hidráulicos de aire acondicionado. por Julio Londoño*

Debido al crecimiento de los proyectos LEED, que pone mucho énfasis en el modelado del perfil de consumo de energía del edificio como componente clave para demostrar los ahorros, y el seguimiento que se le debe dar a los edificios durante su operación; se han empezado a ver algunas diferencias entre lo calculado en los modelos y el comportamiento real de estos. Cuando se construye el modelo es muy importante conocer el impacto que cada sistema tiene sobre este, además de entender cómo las aplicaciones de modelado calculan cada comportamiento. Uno de estos sistemas son las válvulas de control, normalmente estas son percibidas como un elemento pasivo en el perfil de consumo, pero en realidad tienen un impacto muy grande en el consumo de energía del edificio afectando directamente la bomba de distribución y en el comportamiento y la eficiencia total de la planta de enfriamiento. Es por esto que en el modelo del edificio se debe considerar el tipo de válvulas que se van a instalar. Los paquetes de modelado actuales asumen condiciones ideales en el sistema hidráulico, similares a aquellas obtenidas cuando se usan válvulas independientes de presión, pero si se instalan válvulas convencionales (Dependientes de Presión) más arreglo con válvula de balanceo, el modelo se debe ajustar para modelar las pérdidas de energía que conlleva el uso de este tipo de válvulas. Este artículo se enfocará en las válvulas de control de sistemas hidráulicos de aire acondicionado y como se deben modelar de acuerdo al tipo de válvula instalada. Suposiciones en el modelado
La mayoría de los paquetes de modelado están basados en suposiciones para hacer sus cálculos, si bien se hacen levantamientos muy detallados para construir el modelo, algunos de los parámetros son calculados basados en suposiciones. A continuación veremos algunas de las suposiciones que usan las aplicaciones para modelar el sistema hidráulico y el consumo eléctrico de las bombas. Suposición 1
La bomba de distribución recorre la curva del sistema: Para la selección de la bomba se usan dos criterios, el requerimiento de flujo y la caída de presión total del sistema. El flujo se obtiene mediante la sumatoria de los requerimientos de agua de cada serpentín. Para obtener la caída de presión el ingeniero usa el anillo de agua más largo, de esta manera se asegura que el serpentín más lejano, o mejor aún aquel que primero se pueda quedar sin agua, tenga la presión necesaria para obtener el flujo de agua mínimo requerido. Con la información de caída de presión, llamada cabeza de bomba y dada en unidades de longitud, y la información de flujo, dada en unidades de flujo volumétrico, se crea la curva del sistema. La curva del sistema se sobrepone sobre las diferentes curvas de las bombas y así se selecciona la más apropiada para la aplicación. En sistemas de volumen variable, que son controlados mediante medición de la presión diferencial, los paquetes de modelado hacen la suposición que la bomba recorre la curva del sistema. De esta manera y usando la ley de afinidad calculan el consumo eléctrico de la bomba para una velocidad o un flujo dados. Figura 1

Pero en la vida real esto no funciona así; las pérdidas de presión y la cabeza de la bomba varían dependiendo de la ubicación en el sistema de las válvulas que estén abiertas. La cabeza de la bomba es diferente si las válvulas más lejanas a la bomba están abiertas y las más cercanas están cerradas y viceversa. En lugar de recorrer una curva uniforme, la cabeza de la bomba fluctúa en un área, mostrada en la figura 2. Figura 2
Como se ve en la figura 2, si bien las aplicaciones de modelado asumen una curva uniforme, en algunas ocasiones durante la operación normal se requiere una cabeza de bomba mayor. Estos cambios en la cabeza de la bomba exponen a las válvulas a fluctuaciones de presión diferencial fuera de los valores para las que fueron seleccionadas. El beneficio más grande de las válvulas independientes de presión es siempre suministrar un flujo constante sin importar las variaciones de presión en el sistema, si este tipo de válvulas son instaladas, entonces las variaciones de presión no afectarán el desempeño del sistema y los cálculos del modelado son válidos. Pero, si se instalan válvulas dependientes de presión (ejemplo: tipo Globo) estas variaciones de presión ocasionarán que las válvulas pierdan autoridad y disminuya su capacidad de efectuar un control preciso; pues tienen que controlar un flujo a una presión mayor. Esto conlleva a permitir sobre flujo de agua, que es penalizado en el consumo de energía de la bomba y en un pobre intercambio de calor en el serpentín de la manejadora. Esta penalidad en el consumo de energía no es calculada en los paquetes de modelado actuales. Suposición 2
Las válvulas de control tienen una curva equiporcentual y son estables a cargas parciales: Las válvulas de control se diseñan con una característica de flujo que sigue una curva equiporcentual asumiendo una presión diferencial constante en todo el recorrido de la bola o del embolo si es de globo. Esta curva es controlada por el movimiento de la válvula y es opuesta a la curva característica de flujo de los serpentines, de tal manera que ambas curvas sean opuestas y el resultado sea un intercambio de calor lineal. Figura 3
Cuando la válvula de control está completamente abierta, esta suministra un flujo específico para una presión diferencial dada (Presión diferencial de cálculo o de diseño). Se asume que cuando la válvula empieza a cerrar; el flujo sigue la característica equiporcentual. También se asume que el control de la bomba va a modular para mantener la presión diferencial de diseño constante a través de la válvula. Figura 4
Pero esto en la vida real no ocurre, un sistema de volumen variable es muy dinámico, si bien el control de la bomba mantiene la presión diferencial en el punto donde está instalado el transductor de presión, esta presión varía en otros puntos del sistema debido al constante movimiento de las válvulas. El movimiento de las válvulas se debe a cambios en la carga o por comportamiento inestable de las mismas. Ahora bien, cuando aumenta la presión, las válvulas van a dejar pasar más agua de la que deberían, la figura 5 muestra el comportamiento del flujo para varias posiciones de válvula cuando varía la presión diferencial. Debido a esto la válvula raramente suministra el flujo exacto dado por la curva Flujo vs. Posición mostrado en la figura 4. Figura 5

 

Pero el aumento en la presión, además del sobre flujo, también hace que la válvula pierda su valor inicial de Cv, pierda autoridad y quede sobredimensionada. Una válvula sobredimensionada ofrece un control muy pobre convirtiendo una válvula modulante en una tipo on/off. La oscilación en las válvulas hace que la transferencia de calor en el serpentín se deteriore, este fenómeno se empeora a cargas parciales especialmente en aquellas válvulas que están más cerca de la bomba, debido a que estas están expuestas a mayores presiones diferenciales. Esta es una de las principales causes del síndrome de bajo delta T. Figura 6
Esta oscilación constante de las válvulas hace que sea muy difícil para el control que modula la velocidad de la bomba de mantener una presión diferencial constante en el sistema y en especial en cada válvula. En los paquetes de modelado actual, tales como los desarrollados por fabricantes de equipos o los creados por el Departamento de Energía a de los Estados Unidos (DOE), se asumen condiciones hidráulicas ideales similares a las que se obtienen cuando se instalas válvulas Independientes de presión. Si se instalan este tipo de válvulas el modelado ofrecerá resultados cercanos al comportamiento real del edificio. Pero si se instalan válvulas dependientes de presión + válvulas de balanceo, por ejemplo las tipo Globo, el modelo se debe ajustar para reflejar el incremento en el uso de energía en la bomba de distribución. Nota: en la segunda parte de este artículo veremos cómo crear nuevas curvas para la bomba de distribución. *Julio Londoño es el Product Manager de Belimo ([email protected]).