PrincipiosEquilibradoHidraulico

U.D. 02 PRINCIPIOS DE EQUILIBRADO HIDRULICOTeknologia Berrikuntza

1. INTRODUCCIN.

Teknologia Berrikuntza

ESQUEMA DE INSTALACIN DE CLIMATIZACIN


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


SMIL ELCTRICO


p p


Los emisores se dimensionan en funcin de la potencia calorfica que tienen que suministrar

Potencia calorfica = f (Caudal, Salto trmico)Teknologia Berrikuntza

Si no se calcul 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.Teknologia Berrikuntza

Si el caudal no es el de diseo

Desequilibrio trmico de la instalacin.Teknologia Berrikuntza

Si el caudal no es el de diseoDefecto de caudal

Exceso de caudal


Si el caudal no es el de diseo

aumento del caudal de entrada

Derroche de energaTeknologia Berrikuntza

PUESTA A PUNTO DEL EQUILIBRADO HIDRULICO Al finalizar su montaje, actuando sobre: las vlvulas de asiento que debe haber al pie de las columnas de retorno

los detentores de doble reglaje de los radiadores.Teknologia Berrikuntza

Vlvulas para reglaje

Asiento / Aguja

compuerta

bola

mariposa


1.1. DISTRIBUCIN DE CAUDALES, PRESIONES Y TEMPERATURAS SIN EQUILIBRADO. PROBLEMTICA


Instalacin de calefaccin con numerosos emisores y ramificaciones.

La distribucin del caudal no es uniforme dado que las presiones que actan 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

P1

=

P2

=

P3

=

P4

=

P5

P1 = P2 = P3 = P4 = P5


Al alejarnos de bomba aumenta la resistencia hidrulica

La bomba impulsa el agua con una presin constante

Los emisores ms alejados tienen ms dificultad para que les llegue el caudal necesario


En la figura se representa el diagrama de distribucin de presiones en la instalacin.


Circuito crtico Aquel que ofrece la mayor resistencia a la circulacin del fluido. circuito crtico


La cada de presin en las cinco unidades terminales ha de ser la misma, ya que partimos del supuesto de que el caudal tena que ser idntico en todas ellas, por tanto: p1=p2=p3=p4=p5.


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





Prdida tubera

en

la

Cada de presin en la Unidad Terminal correspondiente al caudal de proyecto

Presin residual


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

Presin residual


Las presiones residuales son la causa de que el caudal a travs de las cinco unidades terminales vare

A mayor Presin Residual, ms Caudal

En este caso la instalacin no estar equilibrada.Teknologia Berrikuntza

Una instalacin est equilibrada desde el punto de vista hidrulico cuando el caudal en cualquier parte de la instalacin se corresponde con los caudales definidos en el proyecto.


Consideremos la misma instalacin, pero con cinco vlvulas de equilibrado.


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


El caudal entre dos puntos se determina en funcin de

la presin diferencial existente entre esos puntos y la prdida de carga producida en la tubera, las vlvulas y las unidades terminales. pTeknologia Berrikuntza

R

R

El clculo del caudal se realiza mediante la siguiente ecuacin:

p

qV

n

p n R

qv = caudal p = cada de presin R = Prdidas a lo largo del circuito (tuberas, unidades terminales, vlvulas,) n = Exponente = densidad del fluido

El valor R se obtiene de las tablas correspondientes en los catlogos de los productos en cuestin. El exponente n toma valores diferentes en funcin del tamao de la tubera.Teknologia Berrikuntza

Se denomina circuito crtico a aquel que ofrece la mayor resistencia a la circulacin del fluido. Normalmente se corresponde con el circuito ms alejado de la bomba.


Esta cada de presin se calcula mediante la siguiente ecuacin:n

qV

p R n

p5 = R5 (qv )nen la que R5 y qv son valores conocidos ya que representan respectivamente la prdida de carga a lo largo del circuito crtico y el caudal de proyecto.Teknologia Berrikuntza

La cada de presin en las cinco unidades terminales ha de ser la misma, ya que partimos del supuesto de que el caudal tena que ser idntico en todas ellas, por tanto:

p1=p2=p3=p4=p5


La figura muestra la distribucin de presiones en el tramo de la unidad terminal 2

Prdida tubera

en

la


La vlvula de equilibrado absorbe la presin residual y compensa el exceso de presin.Teknologia Berrikuntza

Presin residual

En las unidades terminales 1, 3 y 4 sucede algo similarPrdida tubera en la


Presin 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 cada residual de presin entre los tramos de las unidades terminales El elemento resistente es una vlvula de equilibrado.Teknologia Berrikuntza

En muchas ocasiones el valor de la resistencia de paso de las vlvulas no aparece en los catlogos 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 travs de la vlvula, cuando la presin diferencial en la misma es de 1 bar. Este valor est medido en m3/h.Caudal 1 barTeknologia Berrikuntza

La equivalencia entre el caudal de paso y la presin diferencial en la vlvula viene dada por:

qV k V

p

r

qv en m3/h cuando p se expresa en bar

En las vlvulas de equilibrado, el coeficiente kv se corresponde a la situacin de apertura total de la vlvula.Teknologia Berrikuntza

RESUMENEn la red, el fluido preferir ir por el camino ms favorable, es decir aqul que tenga menor p.

Para solucionar este problema, lo que tenemos que hacer es confundir al fluido para que no sepa cul es el camino ms fcil.


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

4

6

8

10


En cada terminal colocamos vlvulas de equilibrado de manera que se equilibren las prdidas, es decir que la prdida de carga total sea 10 kPa.

4

6

8

10

6 4

4 6

2 8

0 10

Ahora el fluido no tiene opcin a elegir el camino ms fcilTeknologia Berrikuntza

2. RAZONES PARA EL EQUILIBRADO HIDRULICO


INSTALACIONES NO EQUILIBRADAS Es frecuente montar grandes bombas que consigan los caudales necesarios en las unidades ms desfavorables.

Esto origina, adems de los problemas indicados anteriormente, un excesivo gasto de energa elctrica de dichas bombas.


INSTALACIONES EQUILIBRADAS VENTAJAS: Caudal correcto en calderas y enfriadoras

Correcta distribucin del fluido instalacin y eficacia de la misma

en

la


INSTALACIONES EQUILIBRADAS BENEFICIOS: La temperatura ambiente requerida mantiene dentro del rango establecido Ahorro de energa del grado de climatizacin se

Consecucin perseguido.

Eliminacin de ruidos

Reduccin de averas (desgastes prematuros, bomba fuera de curva, etc.)Teknologia Berrikuntza

3. SISTEMAS DE EQUILIBRADO


Las vlvulas de equilibrado tienen un asiento inclinado y dos tomas de presin.CBI

Caudal Kv Posicin de la vlvula (Orificio de paso)

pTeknologia Berrikuntza

Los sistemas de equilibrado hidrulico pueden dividirse en dos grandes grupos:

Equilibrado esttico

Equilibrado dinmico


La caracterstica de las vlvulas de equilibrado esttico es que el rea 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 posicin del mando manual de la vlvula, de acuerdo con su grfico de equilibrado.


La caracterstica de las vlvulas de equilibrado dinmico es que se seleccionan previamente de acuerdo a los caudales de proyecto y de forma automtica se ajusta el valor kv necesario, en funcin de las variaciones de presin diferencial en la instalacin, para garantizar el caudal establecido en el proyecto.


La figura ilustra la diferencia de comportamiento entre las vlvulas de equilibrado dinmico y esttico y qu repercusiones tiene el empleo de uno u otro sistema en la variacin del caudal en funcin de la presin diferencial en la instalacin.Teknologia Berrikuntza

El caudal a travs de una vlvula de equilibrado esttico aumenta de forma lineal con la presin diferencial, y disminuye cuando esta se reduce. Adems, el caudal nominal (100%) no se alcanza hasta que la presin diferencial en la vlvula alcanza el valor nominal p.Teknologia Berrikuntza

Las vlvulas de equilibrado dinmico mantienen el caudal prcticamente constante (dentro de los lmites del rango de regulacin), independientemente de la presin diferencial en la vlvula.


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


El equilibrado esttico de la instalacin requiere:una vlvula de equilibrado por cada unidad terminal,

otra vlvula ms en cada circuito secundario de distribucin, otra ms en cada circuito principal de distribuciny por ltimo una ms para el circuito primario de impulsin.

En total son necesarias: 27 + 9 + 3 +1 = 40 vlvulas de equilibrado.


En el caso de equilibrado dinmico cada unidad terminal se equilibra independientemente del resto, por tanto solamente se precisa una vlvula de equilibrado por cada unidad terminal.

En total necesarias: vlvulas equilibrado.

son 27 de

NOTA: Observar que las vlvulas que no es necesario montar, son la de mayor dametro (y coste)Teknologia Berrikuntza

En la presente unidad didctica nos referiremos nicamente a los sistemas de equilibrado esttico.


3.1. DISPOSITIVOS DEEQUILIBRADO ESTTICO


Los principales componentes de los sistemas de equilibrado esttico son: Vlvula y Detentor de doble reglaje (TRV/TRIM) Vlvula limitadora de caudal (STAD/STAF/ Vlvula micromtrica)

Vlvula estabilizadora de presin diferencial (STAP) Vlvula de medicin y corte (STAM) Vlvula de presin 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.Teknologia Berrikuntza

3.1.1. Vlvula y Detentor de doble reglaje

TRIMTeknologia Berrikuntza

RADITRIM

Las vlvulas y detentores de doble reglaje son aqullas cuya apertura mxima puede limitarse mediante una actuacin interna, permitiendo as regular la entrada mxima de agua al emisor.

TRIMTeknologia Berrikuntza

RADITRIM

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


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


3.1.2. Vlvula limitadora de caudal.

STADTeknologia Berrikuntza

STAF

Al igual que la vlvula y el detentor de doble reglaje, permite limitar el caudal que circula a travs de ella, facilitando la medicin de la presin diferencial.

STADTeknologia Berrikuntza

STAF

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


3.1.3. Vlvula estabilizadora de presin diferencial

STAPTeknologia Berrikuntza

Se encarga de mantener una diferencia de presin constante entre dos puntos de un circuito hidrulico para garantizar su equilibrio.

Debe ir acompaada de una vlvula de limitacin de caudal o una vlvula de medicin


Principio de funcionamiento Las dos presiones hidrulicas se aplican a una y a otra parte de la membrana. La fuerza aplicada al vstago es proporcional a su diferencia. Un muelle se encarga de establecer el equilibrio modificando la posicin del vstago y por consiguiente, el grado de abertura de la vlvula. La regulacin de la tensin del muelle permite modificar la consigna del regulador.Teknologia Berrikuntza

Ejemplo de aplicacin:En las vlvulas STAM y STAP de cada una de las columnas de la figura realizamos la medicin de presin en ida y retorno de su propia columna, siendo la vlvula diferencial quien valora la presin diferencial. Actuando sobre la vlvula STAP ajustaremos la presin diferencial de la columna.


3.1.4. Vlvula de medicin y corte.

STAMTeknologia Berrikuntza

Utilizada como elemento de corte y medicinEn algunos modelos sirve tambin para vaciado de la instalacin.

Se diferencia de la STAD en que carece de sistema de limitacin de caudal

STAMTeknologia Berrikuntza

Ejemplo de aplicacin: Las vlvulas STAM colocadas en la base de la columna, nos permiten el corte de sta y a la vez nos facilitan la medicin de seal para la vlvula STAP.


3.1.5. Vlvula de presin diferencial .

AVDO (Danfoss)Teknologia Berrikuntza

BPV (T&A)

La vlvula de presin diferencial mantiene entre sus extremos la presin diferencial constante. En las instalaciones a caudal variable la vlvula de presin diferencial, puede montarse con los siguientes objetivos: Transformar una distribucin a caudal variable en una a caudal relativamente constante. Asegurar el caudal mnimo de proteccin de la bomba. Reducir el salto trmico en tuberas. Limitar el aumento de la presin diferencial en ciertos circuitos.Teknologia Berrikuntza

Ejemplo de aplicacin:Imaginemos que las unidades terminales de la figura coinciden con radiadores que, de acuerdo con el RITE, deben ir provistos de vlvulas termostticas. A medida que va alcanzndose la temperatura de consigna, las vlvulas termostticas van procediendo a su cierre, aumentando por lo tanto la presin y el caudal en el resto de los radiadores que permanezcan abiertos. En estas circunstancias la vlvula de presin diferencial BPV mantiene entre sus extremos A y B, la presin diferencial constante y desva el exceso de caudal a travs de ella, manteniendo constante la presin y caudal que pasa a travs de los radiadores abiertos.


3.1.6. Unidad de medida .

TA LOOPTeknologia Berrikuntza

Sirve para realizar mediciones. Sus dos tomas estn anidadas en color rojo.

TA LOOPTeknologia Berrikuntza

4. SELECCIN DEL MTODO DE EQUILIBRADO MS ADECUADO.


Cuando se ajusta el caudal en una vlvula de equilibrado, las prdidas de carga en la vlvula y en la tubera se modifican, as como tambin, las presiones diferenciales aplicadas en otras. Esto significa que cada ajuste de caudal en una vlvula, desajusta el caudal ya ajustado en otras; es decir, que los circuitos son interactivos.

La diferencia principal entre los diferentes mtodos de equilibrado radica en la forma de compensar esta interactividad.Teknologia Berrikuntza

Ciertos mtodos no la compensan de ninguna forma, obligando al operario a ajustar varias veces la misma vlvula hasta conseguir que el caudal medido converja con el deseado; es decir, aplicando un proceso interactivo. Otros mtodos como el Proporcional, el de Compensacin y el TA Balance, que se describen a continuacin, compensan directa o indirectamente los fenmenos mencionados de interactividad hidrulica.


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


5. MTODOS DE EQUILIBRADO.


Entre los sistemas de equilibrado hidrulico cabe destacar los siguientes: Mtodo proporcional Mtodo de compensacin

Mtodo TA Balance


5.1. EL MTODO PROPORCIONAL


El principio fundamental del Mtodo Proporcional se basa en el hecho que las variaciones de la presin diferencial aplicada a un circuito modifican el caudal en sus terminales en la misma proporcin.

100 l/s

150 l/s


El Mtodo Proporcional se describe muy brevemente a continuacin ya que est ampliamente superado y sustituido por el Mtodo de Compensacin y por el TA Balance

Slo examinaremos, paso a paso, el procedimiento de equilibrado del ramal de una columna. La secuencia sera la siguiente:


1.Medir caudal

Mantener ABIERTA


2. Calcular para cada uno de los terminales, el factor de caudal

Caudal medido Caudal de diseo

Identificar el terminal con el factor de caudal ms bajo min.


3. Utilizar la vlvula de equilibrado del ltimo terminal del ramal como referencia (STAD.1.2.5).

Vlvula de referencia


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


5.4=5

Volver a ajustar

5


6. Ajustar el caudal en los otros terminales del ramal, en direccin a la bomba. 3=5 4=5

Volver a ajustar

5


3=5

4=5

Volver a ajustar

2=5

5


3=5

4=5

Volver a ajustar

2=5 2=5Teknologia Berrikuntza

5

3=5

4=5

Ajustar para que 5 =1

2=5 2=5Teknologia Berrikuntza

5

todos los caudales se correspondern con los valores de diseo.3=1 4=1

2=1

5 =1

2=1Teknologia Berrikuntza

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


5.2. EL MTODO DE COMPENSACIN


5.2.1. Definiciones


Un mdulo consta de varios circuitos (unidades terminales) conectadas, en retorno directo, a las mismas tuberas de impulsin y retorno. Cada circuito posee su propia vlvula de equilibrado y el mdulo dispone de una vlvula general, llamada de compensacin.


Una vez equilibrados individualmente todos los circuitos de un ramal, estos constituirn un mdulo cuya vlvula de compensacin es la de equilibrado principal asociada a la columna.


Una vez equilibradas individualmente todas las columnas, stas constituirn un mdulo cuya vlvula de compensacin es la de equilibrado principal asociada a la bomba.


El Mtodo de Compensacin ventajas fundamentales:

ofrece

tres

Equilibrados parciales. Puede equilibrarse la instalacin por etapas, mientras su montaje contina, sin necesidad de reequilibrar la misma cuando est totalmente terminada. Equilibrado ms rpido. Cada vlvula se ajusta una sola vez. Optimizacin de los costes de bombeo. Cuando el equilibrado est terminado, puede medirse en la vlvula de equilibrado principal el sobredimen-sionamiento de la bomba. Como consecuencia, puede reducirse su altura manomtrica con sustanciales ahorros energticosTeknologia Berrikuntza

La perturbacin en un mdulo se detecta en la vlvula de equilibrado ms alejada de la bomba, que se denomina vlvula de referencia.La perturbacin se compensa en la vlvula de equilibrado que controla el caudal total del mdulo que se denomina vlvula de compensacin. Actuando sobre sta ltima se restituye en la de referencia la presin diferencial ajustada inicialmente, cada vez que ocurre una perturbacin.Teknologia Berrikuntza

5.2.2. Equipo necesario


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


5.2.3. Equilibrado de los terminales de un ramal


Inicialmente, la vlvula de referencia se ajusta al caudal de diseo

Ajustar a Caudal de diseo

pR



pR


Se reajusta el caudal de diseo en la vlvula de referencia actuando sobre la de compensacin.

Caudal de diseo

pR

Ajustar para que vuelva a ser

pR



Caudal de diseo

pR


Caudal de diseo Caudal de diseo

pR


pR



Caudal de diseo

pR

Caudal de diseo


Caudal de diseo


pR


pR


Caudal de diseo Ajustar a Caudal de diseo

Caudal de diseo

pR

Caudal de diseo


Caudal de diseo


pR

Caudal de diseo


pR


Este procedimiento que, puede aplicarse con independencia del nmero de terminales del ramal, debe llevarse a cabo en direccin a la bomba, comenzando por la vlvula de referencia.


5.2.4. Equilibrado de los ramales de una columna



pR


pR



pR

Caudal de diseo


pR


pR

Caudal de diseo



pR

Caudal de diseo

Caudal de diseo


pR


5.2.5. Equilibrado de las columnas montadas sobre una tubera principal



pR



pR



pR

Caudal de diseo

pR


Cuando el equilibrado de las columnas 7.0., 6.0.,etc., est terminado, la instalacin estar completamente equilibrada para el caudal de diseo.La prdida 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 MTODO TA BALANCE


El Mtodo TA Balance diseado por la empresa TA Hydronics (Tour & Anderson Hydronics) est programado en el instrumento de equilibrado CBI. Ofrece adems de las tres ventajas del Mtodo de Compensacin, la posibilidad de equilibrar toda la instalacin con un solo operario y un nico instrumento de medida CBI.


Estas cuatro ventajas son las siguientes:

Equilibrados parciales.Equilibrado ms rpido. Optimizacin de los costes de bombeo.

Un solo operario y un nico instrumento de medida.


5.3.1. Preparacin del procedimiento


Durante las mediciones se supone que la presin diferencial H a la entrada del mdulo se mantiene constante.

Constante


Para asegurar que la prdida de carga en las vlvulas de equilibrado sea suficiente para obtener medidas correctas, se preajustan al 50% de su apertura (2 vueltas en las STADs).


La vlvula de compensacin del mdulo debe estar totalmente abierta durante su procedimiento de equilibrado.

Totalmente Abierta


El mtodo TA Balance requiere que las vlvulas se enumeren:

La primera vlvula despus de la de compensacin deber ser la nmero 1, numerando las siguientes sucesivamente 2, 3, La de compensacin no se enumera en esta fase.Teknologia Berrikuntza

5.3.2. Procedimiento


El procedimiento se aplica a cada mdulo de manera independiente.

El CBI facilita en pantalla las instrucciones paso a paso del procedimiento.


Para cada vlvula y en cualquier orden dentro del mdulo, se aplica el siguiente procedimiento: 1 - Abrir totalmente la vlvula de compensacin.

Totalmente Abierta


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


3 - Elegir cualquier vlvula.


4 - Conectar el CBI. Este pregunta por el n de vlvula asignado y hace una primera medida.


5 - Cerrar la vlvula completamente.

Totalmente Cerrada


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


7 - Reabrir la vlvula a la posicin anterior.


8 - Elija otra vlvula (paso 3) y repita el procedimiento hasta finalizar el mdulo.


9 - Medir la vlvula de compensacin totalmente cerrada.

Totalmente Cerrada


El CBI calcula las posiciones de ajuste de todas las vlvulas de equilibrado del mdulo. Las vlvulas deben fijarse y bloquearse en dichas posiciones.Posicin 4 Posicin 5

Posicin 3

Posicin 1Teknologia Berrikuntza

Posicin 2

Los caudales correctos se alcanzarn cuando se ajuste la vlvula de compensacin al caudal total requerido en el mdulo.

Caudal TOTAL del mdulo


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


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