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Escrito por Jesús de Lara   

COLECTORES DE PRESIÓN DIFERENCIAL NULA EN LAS REDES HIDRÁULICAS DE LAS INSTALACIONES DE AIRE ACONDICIONADO

Índice de la página

 

INTRODUCCIÓN

Es frecuente, entre quienes diseñan y montan redes de distribución de agua para instalaciones de aire acondicionado, mostrar dudas sobre la conveniencia de unir entre sí los colectores de impulsión y retorno, correspondientes a la interfase entre los sistemas de producción y distribución. O entre aquellos pertenecientes a circuitos secundarios y terciarios, en plantas de mayores proporciones. Aún más, habiendo admitido la necesidad de este by-pass de unión ¿cuáles son sus criterios de diseño?

Directamente, y relacionada con esta última cuestión, se suscita la duda de si, a pesar de todo, una válvula de asiento colocada en la tubería de unión entre colectores, es necesaria. Su justificación, por parte de quienes la adoptan está basada en la siguiente observación: "en último extremo nos permite equilibrar las presiones entre colectores." ¿Es tal vez más apropiada para este propósito una válvula antirretorno?

Así planteadas toda esta serie de cuestiones, sus respuestas se encuentran implícitamente contestadas atendiendo a cada una de las funciones, que los colectores de presión diferencial nula, desempeñan dentro de la red de distribución de agua.

La primera y fundamental, que por si sola justifica su necesidad (a partir de la existencia de sistemas primarios y secundarios), es eliminar interferencias hidráulicas entre las bombas, grupos de producción, unidades terminales, válvulas de control, etc. Además, derivada de esta primera función se les puede asociar una gran utilidad en el control de la potencia instalada. Esto condicionará su ubicación en la interfase entre los diferentes sistemas. Por último, correctamente dimensionados y construidos, los depósitos de inercia o incluso los tanques de acumulación de agua fría o caliente, pueden atender también este doble propósito.

 

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INTERFERENCIAS ENTRE CIRCUITOS

Cuando varias bombas impulsan agua sobre una resistencia común, toda variación de caudal en un circuito modifica el caudal en los demás.

Examinemos el caso de la figura 1. Al abrir la válvula de las tres vías V1, el caudal qT aumenta, así como la presión diferencial entre A y B. Este aumento ΔpAB reduce el caudal en los demás circuitos, determinando una reacción compensadora de las válvulas de control. En consecuencia, se corre el riesgo de generar oscilaciones de bombeo e inestabilidad en el conjunto de la instalación.

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Figura 1. Los circuitos 2 y 3 son interactivos en diferente grado, al tener una resistencia común.

Cuando unidades de producción son interactivas, la puesta en marcha de una de ellas provoca una drástica reducción del caudal en las demás, afectando al control de la temperatura de impulsión. En grupos de frío tal reducción de caudal de agua, puede conducir a la formación de hielo en el evaporador, antes que su propio bucle de control tenga tiempo de reaccionar. Las consecuencias son fácilmente imaginables.

Sea "h" la menor de las alturas manométricas de las bombas afectadas (Fig.1); q1C su caudal de diseño y Δpmax, la presión máxima entre los puntos A y B. Se supone que la instalación está equibrada para las condiciones de cálculo. Haciendo Φ = Δpmax / h ; y λ = q1C / qTmax .

Cuando el circuito en cuestón funciona solo, su caudal aumenta en la proporción dada por la siguiente expresión:

Δq = 100 · { 1 / 1 - Φ·(1 - λ2)  } %

En la figura 2 se representan algunos de estos valores. Si se acepta una variación interactiva de caudal no superior al 20%, la presión diferencial ΔpAB máxima admisible debe ser (en promedio y dependiendo del tipo de curva de bomba) inferior al 30% de la altura manométrica de la menor de las bombas concurrentes.

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Figura 2. Variaciones de caudal en un circuito debidas a interactividad.

Si no están los circuitos equilibrados y se posee una resistencia común grande, la presión diferencia en esta zona puede hacerse superior a la altura manométrica de una de las bombas, dejando sin agua al circuito correspondiente e incluso alimentándolo en sentido contrario, si no se le han instalado válvulas antirretorno, o estas funcionan deficientemente. En calefacción se constata entonces una temperatura del agua en el retorno superior a la de impulsión. En refrigeración ocurre lo inverso. Esta situación se presenta generalmente, cuando se subestima la pérdida de carga del circuito común a la hora de seleccionar las bombas de los diferentes circuitos.

 

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LA TUBERÍA DE BY-PASS

Un medio simple y eficaz que permite reducir o eliminar las interferencias consiste en intercalar una tubería de by-pass AB entre las unidades de producción y los circuitos de distribución. Figura 3.

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Figura 3. Colector de separación hidráulica. Calefacción.

 

Ahora, este conducto constituye el elemento común. Al ser su pérdida de carga despreciable, los problemas de interferencia quedan eliminados.

Evidentemente, las calderas y grupos de frío deben estar alimentados por bombas primarias. Su caudal se mantiene constante. La puesta en funcionamiento de una segunda caldera o grupo de frío, no tiene influencia sobre el caudal de la primera. Las bombas primarias no pueden afectar a los caudales secundarios, al no poder generar entre A y B ninguna diferencia de presión. Por la misma razón, las bombas secundarias no pueden alterar el caudal de los grupos de producción.

La situación ahora se plantea doble: por un lado, si la sección del by-pass es insuficiente (como puede suceder colocando y "regulando" una válvula de asiento en él) se provocan interactividades; en caso contrario, se corre el riesgo de provocar circulaciones por el interior del by-pass (figura 4.)

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Figura 4. Doble circulación y by-pass sobredimensionado. Refrigeración.

 

Es práctica habitual sobredimensionar el conducto AB, no por ser necesario para evitar problemas de interferencias, pero sí para beneficiarse de un "volante de inercia térmica", particularmente útil a cargas reducidas.

En calefacción con calderas convencionales, se mejora el control de la temperatura de salida del agua. Como regla general, se establece un volumen tampón de 3 litros por cada kW de potencia de la mayor de las calderas instaladas.

En aire acondicionado, el sobredimensionamiento del by-pass constituye, asimismo, un tampón que evita a los grupos de frío trabajar en ciclos cortos de arranque y parada, cuando la demanda de la instalación es pequeña. Para permitir a cada grupo trabajar a plena carga durante un período de tiempo de al menos 15 minutos, el volumen de acumulación expresada en m3, debe ser al menos, igual a la potencia de producción al grupo de frío mayor de los instalados, expresada en kW, dividida por 25 (1 m3 por cada 25 kW.)

En ninguno de los casos anteriormente expuestos el by-pass puede sobredimensionarse sin límites, pues se corre el riesgo de obtener una bicirculación total o parcial (figura 4), siendo esta última mucho más frecuente, pero sin embargo mucho más difícil de detectar.

Un tipo de conexión del depósito a la red que permite, tanto eliminar la bicirculación, como aprovechar con eficacia el volumen de agua, es el denominado "en diagonal" y que se muestra en la figura 5.

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Figura 5. Conexión en "diagonal" de un depósito de inercia.

 

Prescindiendo de la función de "volante térmico" asociada al colector, el dimensionado del conducto AB no es crítico. Una velocidad del agua en él del orden de 0,5 m/s puede considerarse razonable. En realidad, no toma más agua que la correspondiente a la diferencia entre los caudales de producción y distribución. Pero ¿qué caudales son estos? La respuesta no es inmediata y dependerá, no sólo del tipo de distribución secundaria (a caudal constante o variable) adoptado, sino en último extremo, del tipo de control ejercido sobre las unidades terminales. En cualquier caso, las condiciones de diseño que evitan interactividades seguirán vigentes: una pérdida de carga en el colector inferior a 0,3 hmin y una velocidad para este caudal, del orden de 0,5 m/s aproximadamente.

Si el sistema de distribución es a caudal constante, el máximo que circulará por el by-pass será el debido al número de grupos de producción instalados, menos uno. Ciertamente es posible que, durante períodos cortos de tiempo sea el 100% de los grupos. En este caso, las bombas primarias no funcionarían, ni en la instalación existiría demanda, por lo cual el riesgo de interactividad no afectaría al funcionamiento intrínseco de la planta

 

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DISEÑOS

Un diseño frecuentemente adoptado de colectores es el mostrado en la figura 5. Sin tener en cuenta si la instalación ha sido dimensionada con un factor de simultaneidad de uso, a máxima demanada, establecida la compatibilidad, el caudal de los grupos de producción coincide con el de distribución y por tanto la circulación por el by-pass deberá ser nula.

A cargas parciales, es decir, cuando la temperatura media de retorno del agua alcanza un determinado valor, el sistema de control ordena parar un grupo de producción. En este momento se inicia una circulación del caudal de agua correspondiente a este grupo, en el sentido mostrado en la figura 6, que afecta sistemáticamente a una determinada zona de la instalación. El primer "remedio a esta asimetría" consiste en no parar el grupo de bombeo aunque su enfriadora no funcione. Pero ¿tiene realmente sentido consumir energía y horas de vida de un equipo cuando no es necesario? Una sencilla solución que resuelve este problema es disponer el conexionado de tuberías como se indica en la figura 7. De este modo se eliminan las "zonas desfavorecidas" y la temperatura de impulsión, como corresponde a un sistema de caudal constante, es superior o inferior (frío/calor) a la de la producción. Pero ciertamente esto ocurre en cargas parciales.

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Figura 6. Esta disposición, a cargas parciales, penaliza ciertos circuitos hidráulicos.

 

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Figura 7. En caudal constante, a cargas parciales, la temperatura de impulsión no es mínima.

 

Otro diseño que mantiene y soluciona la situación, se muestra en la figura 8. El agua de retorno se mezcla con la de producción, homogeneizando así las temperaturas y eliminando la resistencia de zonas favorecidas y desfavorecidas.

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Figura 8. Posición que homogeniza las temperaturas a cargas parciales.

 

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DIFERENTES LOCALIZACIONES DEL BY-PASS

Atendiendo al concepto de interactividad, la posición del by-pass entre los sistemas de producción y distribución que se muestra en las figuras 3, 9 y 10, es irrelevante.

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Figura 9. Posición 2 del Colector de separación hidráulica.

 

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Figura 10. Posición 3 del Colector de separación hidráulica.

 

Sin embargo para el correcto funcionamiento de la instalación, el control de la potencia de los grupos de frío/calderas y la acumulación de energía (en su caso), es fundamental su correcta ubicación en la red de tuberías de la planta.

 

- Jesús de Lara -
Director General de Tour & Andersson en España.

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