Son los sistemas que la misma bomba o grupo de bombas mueven el agua por los generadores y por el resto de instalación a las unidades terminales.
La distribución es caudal variable
CONTENIDO
1 - FICHA TÉCNICA
2 - GENERALIDADES
Son sistemas más complejos que los sistemas en paralelo que los sistemas de caudal constante y requieren una buena planificación y compresión del sistema por parte del proyectista, del programador del sistema de control y del operador.
Muy recomendados para sistemas con variación de demanda con un coste de inversión inicial inferior al sistemas acoplados, ya que se reduce el número de bombas, cuadro eléctrico, protecciones y acometidas, colectores, etc.
En el esquema de abajo se tiene un configuración de 2 enfriadoras de la misma potencia y 2 bombas, que trabajando a 7ºC de consigna y un retorno de 12ºC. (Nota, si la regulación de las V2V el retorno debería ser siempre el diseño a excepción de los caudal mínimo)
Esta configuración es similar al paralelo caudal constante, pero ahora la regulación de carga en las unidades terminales se lleva a cabo con V2V y por tanto ahora las bombas son inverter. A demás, se requiere dotar a la instalación de componentes adicionales:
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Línea de bypass, necesario para cuando la demanda del sistema es muy baja y por tanto el caudal, y éste es inferior al caudal mínimo de la(s) enfriadora(s).
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Control de caudal de paso por enfriadoras, para establecer los rangos de funcionamiento mínimo y máximo.
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Válvula de 2 vías proporcional en el bypass.
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Válvula de 2 vías de aislamiento por enfriadora
Este sistema podría presentar por ejemplo una enfriadora adicional en modo reserva o una bomba adicional en reserva, o ambas, sin afectar a la operación del sistema.
3 - TIPOS DE COMPRESORES, BAJA CARGA, VELOCIDAD DE RESPUESTA Y VARIACIÓN DE CAUDAL
En esta configuración, cuando baja la demanda en primer lugar baja el caudal manteniendo el AT por lo que las enfriadoras trabajan con AT constante. Sólo cuando se sobrepasa el límite de caudal la válvula de by-pass abre y por tanto en este momento si que desciende el AT de la(s) enfriadora(s).
En cuanto al tipo de compresor de la enfriadora y la variación de carga del sistema y carga mínima se debe tener en cuenta lo mismo que lo comentado en los sistemas acoplados. Ver aquí. Pero teniendo en cuenta que ahora si que habrá una secuenciación de enfriadoras.
Si la demanda mínima se encuentra por debajo de la parcialización mínima de la enfriadora más pequeña, es posible que se deba chequear la configuración del sistema y utilizar la configuración sidecar.
Un factor adicional a tener en cuenta en la selección de enfriadoras es la velocidad de respuesta a la variación de carga, es decir como se ve afectada la temperatura de consigna de salida de las enfriadoras a la variación de caudal de paso.
Típicamente, aunque cada fabricante tiene unos valores y se recomienda consultar:
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Scroll: Variación del 10% de caudal por minuto
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Tornillo:
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Variación del 10% de caudal por minuto con una precisión de 0,28ºC
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Variación del 30% de caudal por minuto con una precisión de 1ºC
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Centrífugo:
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Variación del 25% de caudal por minuto con una precisión de 0,28ºC
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Variación del 50% de caudal por minuto con una precisión de 1ºC
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En este gráfico se observa como al variar el caudal el 50% (línea roja) , hay una perturbación en la salida de agua fría (línea negra).
Pasado un tiempo se restablece, pero lo importante es si el sistema es capaz de trabajar con dicha variación de temperatura en tiempo que se da. Si estamos ante un sistema que requiere alta precisión de temperatura se debe tener en cuenta en la estrategia de control o si es necesario dotar al sistema mayor volumen de inercia.
Fuente: Trane Engineer Newsletter: the saga continues… Variable-Primary-Flow Systems Revisited
Por último, otro aspecto a tener en cuenta es la variación de caudal que permite las enfriadoras. Nos interesa que sea lo mayor posible para que realmente tenga sentido esta configuración.
Se suele tener decir que al menos debería tener un 50% de variación de caudal con respecto al nominal.
¿de qué depende? Pues de dos factores:
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Tipo de intercambiador, típicamente los evaporadores de carcasa y tubos permiten mayor variación de carga que los intercambiadores de placas.
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Talla de intercambiador y enfriadora, la mayoría de los fabricantes disponen de tallas de intercambiadores que pueden ser instalados en enfriadoras de distinta potencia y esto hace que te puedas encontrar una enfriadora del mismo tipo con distinta variación de caudal. Consultar con cada fabricante.
4 - GESTIÓN DE CAPACIDAD
En la secuenciación de enfriadoras se debe tener en cuenta para la correcta operación:
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Temperatura de impulsión y retorno.
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Principalmente la temperatura de impulsión. Mientras que no se cumpla la temperatura de impulsión, el sistema de control no puede iniciar ninguna lógica de sustracción.
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Las enfriadoras deben trabajar con la misma consigna que la consigna del sistema
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El modo chiller water reset no aplica en esta configuración. Ver más
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% de carga de enfriadoras.
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En operación de sustracción, para no sustraer una enfriadora de forma errónea y tener que añadir enfriadora seguidamente porque no se puede atender a la demanda.
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Para operar en el rango de mayor eficiencia
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Caudal de paso por enfriadoras, variable a incorporar para este sistema y necesaria. Es importante NO operar:
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Por debajo de caudal mínimo, habría problemas de congelación en evaporador
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Por encima de caudal máximo, habría problemas por desgaste de evaporador por ejemplo
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Control de caudal de by-pass
5 - CONTROL DE CAUDAL DE PASO POR ENFRIADORAS
En un sistema perfectamente equilibrado trabajando con el AT del diseño, la relación entre capacidad y caudal sería constante. Sin embargo las perturbaciones que pueda tener el sistema, como el síndrome del bajo AT, podría darse la circunstancia que manteniendo la consigna de enfriadora y el % de carga adecuado, se esté trabajando cerca de los límites de funcionamiento de las enfriadoras, y sea esta la variable la que obligue a iniciar la secuenciación de adición o sustracción.
Partiendo de la base que la medición de caudal es crucial en este sistema, hay varias opciones que el proyectista debe elegir, tal y como se muestra en el gráfico:
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Medición general en el circuito, sirve para tener una visión general de lo que pasa, pero se pierde el detalle de cada enfriadora. Si todas las enfriadoras son iguales en capacidad y equilibradas en caudal, podría ser suficiente.
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Medición individual en enfriadoras, por sonda de presión diferencial. Permitiría una lectura individual, pero con el rango de error de este sistema. Si los evaporadores se ensucian, habrá una modificación del KV y por tanto un error de medición.
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Medición individual con caudalímetro, sin duda la mejor opción pero con mayor coste de inversión.
6 - VÁLVULA DE BY-PASS
Otro elemento diferenciador de un sistema V.P.F. y el cual es vital para asegurar el éxito del sistema.
Su función es abrir el by-pass de forma modulante para asegurar que no se opera por debajo del caudal mínimo de las enfriadoras.
Es una válvula que puede estar sometida a la mayor presión diferencial del sistema si ubicada en cabecera.
Por tanto debe ser capaz de modular en todo su rango de funcionamiento en toda circunstancia.
¿Para qué caudal? Un error común es pensar que se dimensiona para el caudal de una de las enfriadoras. Ver más.
¿Dónde se ubica? Tres opciones comunes:
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Cerca de la descarga de enfriadoras y aspiración de bombas, la que mayor ahorro de energía presenta, pero requiere una válvula capaz de operar a alta presión. Con esta ubicación, si el sistema requiere agua enfriada de forma rápida y no hay circulación por el circuito de distribución, podría haber retardo.
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Válvula de 3 vías en algunas unidades terminales, simplifica la operación y el tiempo de respuesta en recibir agua fría, pero en contra se tiene un sobreconsumo y sobredimensionamiento del sistema de bombeo.
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Ubicar la válvula de 2 vías al final del circuito, con la ventaja que la válvula está sometida a menor presión y ayuda a la modulación, pero se tendrán mayores costes de bombeo por someter al circuito a mayor presión durante la operación.
7 - TURN DOWN RATIO (T.D.)
Es la relación entre el caudal nominal y el caudal mínimo y está directamente relacionado con el sistema de control y el caudal de paso por la válvula de by-pass
En un sistema ideal, se buscaría que el caudal sea proporcional a la demanda y no hubiese caudal circulando por el by-pass. Figura 1. Esto sólo podría ser si no hubiese un caudal mínimo en la enfriadora.
En un sistema real con caudal mínimo, éste debe circular por el by-pass y cuanto mayor sea este (menor TD Ratio) mayor será el caudal que debe circular por by-pass:
Fuente: Trane Engineer Newsletter: peanut butter and jelly Series Chillers and VPF Chiller Plants
Utilizar enfriadoras con muy poca variación de caudal, un 30% es un TD Ratio de 1,4 implica que cuando 2 enfriadoras en marcha en el sistema y baja la carga por debajo del 30% y por tanto el caudal se reduce un 30% de la misma manera, la válvula de bypass debe abrir para asegurar el caudal mínimo (área naranja).
En este momento no se puede sustraer enfriadora porque con una no se podría satisfacer la demanda.
En este ejemplo, hasta que no se llega al 30% de demanda total del sistema, no se produce la sustracción de enfriadora. Ahora si se puede sustraer pues la que quede en marcha se quedará al 70% de carga.
En cuanto se queda una enfriadora trabajando en el sistema, esta se encuentra al 70% de caudal y por tanto debe circular agua por el bypass (área azul).
Nótese que en esta configuración, el sistema de control está limitando a que no se sustraiga enfriadora si el % de carga tras la sustracción supera el 70%.
Sistema con una demanda del 50%, 2 enfriadoras al 50% y caudal por bypass
Sistema con una demanda del 36%, 2 enfriadoras al 36% y caudal por bypass. Límite antes de la sustracción
Sistema con una demanda del 30%, 1 enfriadora al 60% y caudal por bypass.
Sistema con una demanda del 50%, 2 enfriadoras al 50% y caudal por bypass
8 - FLUCTUACIONES DE CAUDAL EN EL SISTEMA
La configuración del sistema de bombeo puede ser de 2 tipos:
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Bomba dedicada por enfriadora,
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Tándem de bombas
En este último caso, se debe tener en cuenta que en los procesos de transición, la/s enfriadora/s en marcha sufrirán una variación de caudal. Veamos como en un proceso de adición:
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Se activa la adición de enfriadora, bien por:
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Se ha perdido la consiga del sistema
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Se ha alcanzado el 100% de capacidad de la enfriadora o el valor de consiga
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Se ha superado el caudal máximo de paso por enfriadora
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En el proceso de activación de enfriadora, se abre la válvula de aislamiento
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En este momento, se reduce el caudal de paso por la enfriadora el 50% (suponiendo enfriadoras iguales)
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La enfriadora 1 al 100% de carga y con el 50% de caudal puede presentar micro congelaciones hasta que el compresor se adapta a la carga.
Se debe incorporar la función descarga en inicio, y esta dará lugar a una pérdida de consigna de impulsión.
En el primer caso, con bomba dedicada, se tendría un exceso de presión momentánea en el sistema:
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Se activa la adición de enfriadora, bien por:
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Se ha perdido la consiga del sistema
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Se ha alcanzado el 100% de capacidad de la enfriadora o el valor de consiga
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Se ha superado el caudal máximo de paso por enfriadora
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En el proceso de activación de enfriadora, se abre la válvula de aislamiento y se arranca bomba
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En este momento, sube la presión del sistema hasta que el PID de control ajusta la presión de consigna.
9 - RECOMENDACIONES EN EL DISEÑO
Algunas recomendaciones para asegurar el éxito del diseño del sistema acoplado de caudal constante:
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Selección de enfriadoras
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Seleccionar para el límite de flujo de evaporador mínimo más bajo posible
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Selección para la mayor tolerancia posible a grandes cambios de caudal
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Selección de enfriadoras con AP lo más similar posible a caudal nominal o incorporar válvulas de equilibrado
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Comprender las características de carga y descarga de cada tipo de enfriadoras
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Caudal de bypass
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Selección correcta de válvula, modulación linear y capaz de trabajar a alta presión
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Prestar atención a la medición de caudal
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Disminuir los tiempos de retardo entre en el sistema de control
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Secuenciación de enfriadoras
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Implementar función descarga en inicio
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Apertura lenta de la válvula de aislamiento
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Dejar cargar las enfriadoras casi al 100% antes de arrancar la siguiente
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Prevenir ciclos cortos de arranque y parada
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Configuración de planta
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Si no se ajusta un VPF en paralelo, estudiar la posibilidad de VPF en serie u otras configuraciones como sidecar.
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Enfriadoras de la misma capacidad y AP simplifican mucho el diseño del sistema hidráulico y el control
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Configuración del sistema de bombeo, bomba dedicada o tandem de bombas
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Configuración asimétrica entre enfriadoras y bombas, con secuenciación independiente
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Control de unidades terminales
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Correcta selección de válvulas de 2 vías en el control de la demanda para garantizar un AT correcto
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