Son los sistemas que disponen de un elemento desacoplador que separa el primario y el secundario, de tal forma que hidráulicamente lo que pasa en el secundario no afecta al primario
CONTENIDO
1 - FICHA TÉCNICA
2 - GENERALIDADES
Se trata de la configuración hidráulica más típica, tanto que a veces se aplica incluso sin tener mucho sentido, como sistemas con una enfriadora.
Esta configuración hidráulica se proyecta normalmente en un sistema con 2 enfriadoras o más y la variación de carga variable, tanto como para parcializar la producción parando enfriadoras.
Es una configuración muy versátil en cuanto a la configuración, no como los sistemas acoplados de caudal constante y en especial los de caudal variable, V.P.F.
El objetivo principal de esta configuración es DESACOPLAR hidráulicamente el primario del secundario, es decir, que lo que sucede en secundario no afecte al primario. Sin embargo, en la mayoría de los casos esto no sucede porque en el bypass se instala una llave de corte o válvula antirretorno ACOPLANDO el primario y el secundario.
Otro error común, es no prestar atención al orden de conexiones del colector, complicando la gestión optimizada de la producción. Bajo esta situación, además de la pérdida de eficiencia, se presentan problemas en las enfriadoras como excesivo número de arranques y paradas y que se intenta camuflar el problema añadiendo inercia, que puede paliar el problema pero no se solventa.
A día de hoy, esta configuración con secundario a caudal variable es lo mas común y lo mas sensato y por ello dedico más desarrollo a este sistema. Sin embargo se puede encontrar en instalaciones existentes con caudal constante en secundario.
Cuando se tiene caudal constante, los puntos a considerar en el diseño y en el control son similares a los indicados en los sistemas acoplados de caudal constante, solo que ahora la mezcla se produce en el bypass, elevando la temperatura de impulsión del secundario. Ver más detalles.
Una opción de mejora de una instalación de caudal constante en secundario a tener en cuenta, es transformarla a caudal variable.
3 - COMBINACIÓN DE ENFRIADORAS
Como se comentaba anteriormente, esta es una combinación muy versátil en cuanto a configuración:
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Compatibilidades de caudales entre enfriadoras, aquí no es imprescindible que todas las enfriadoras que forman la planta sean compatibles en caudal mínimo y máximo como un sistema V.P.F.
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Configuración asimétrica; desde el punto de vista de diseño y del sistema de control, una configuración asimétrica no complica para nada el sistema. Es más, se recomienda una configuración asimétrica si es la mejor opción para ajustar la producción a la demanda. En una configuración asimétrica se puede tener:
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Enfriadora base, la que tendrá prioridad en el funcionamiento. Pudiese ser una con muy alta eficiencia, o recuperación de calor, o cualquier otro motivo.
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Enfriadora pico, la que entrará la última en el sistema, solo cuando realmente sea necesaria, aquella por ejemplo con peor eficiencia, o más deteriorada, etc.
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Enfriadora pivotante, aquella que se utiliza en la secuenciación de enfriadoras tanto en adición como en sustracción para hacer las transiciones entre enfriadoras de mayor potencia.
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Cualquiera de las enfriadoras dentro del sistema puede tomar un papel diferente, por ejemplo una enfriadora base con recuperación de calor y menor eficiencia puede pasar a pico cuando no sea necesaria la recuperación, o una enfriadora con freecooling integrado.
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Configuración simétrica, en la que todas las enfriadoras son iguales. En este punto se recomienda tener en cuenta que la carga mínima del sistema no esté por debajo del escalón mínimo de parcialización.
4 - GESTIÓN DE CAPACIDAD
En el sistema de control de la producción, en primer lugar se debe considerar cada tipo de enfriadora que papel va a jugar en el orden de la secuencia, base, pico, pivotante o digamos normal.
Si el colector está correctamente realizado y la ubicación de sondas es correcta, entonces se puede hacer una gestión optimizada de la producción, sino el sistema sólo podrá hacer una secuenciación "simple" que puede presentar problemas en la gestión de la producción.
El control no puede puede solucionar los problemas que un mal diseño hidráulico provoca, tan sólo quizás enmascararlo. El control no puede hacer milagros.
Adición de enfriadoras:
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Por temperatura de impulsión en el colector, bajo la premisa de menor número de enfriadoras en marcha posible
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Por % de carga, si se quiere tomar una estrategia basada en las curvas de carga parcial
Sustracción de enfriadoras, siempre y cuando se cumpla la condición de consigna en impulsión,
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Por AT en el colector, siempre y cuando el orden de conexiones sea correcto
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Por % de carga en enfriadoras, comprobar antes de la sustracción que al retirar la siguiente enfriadora en la secuenciación que el restante se puede hacer con la demanda.
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Por caudal de bypass, bien medido mediante caudalímetro o por las sondas del colector.
Otras funciones como Chiller Water Reset podría no tener impacto en el ahorro energético del conjunto.
Ajustar la producción a la demanda sólo en términos de potencia térmica, es un concepto que está muy de moda pero por si sólo presenta carencias y podría no funcionar si no se tienen en cuenta otros factores.
Métodos para el control de planta:
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Sonda de impulsión
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Sonda de retorno
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Sonda bypass
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Caudal de bypass
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% de carga enfriadoras
5 - EXCESO DE CAUDAL EN PRIMARIO
¿Por qué es necesario aclarar este punto?
Porque en la mayoría de los casos se olvida que un sistema de caudal variable, necesariamente debe haber exceso de caudal en primario, es decir, una corriente de agua fría que circula por el colector hacia el lado caliente. Cuanto mas bajo sea este caudal, mejor, ya que se puede considerar una energía de bombeo que se desperdicia.
Para considerar que el secundario es caudal variable, no sólo es suficiente tener variadores de frecuencia en las bombas, sino que el AT debe ser similar al de diseño, y este AT debe ser igual al nominal de diseño de las enfriadoras. Un bajo AT no se podría considerar caudal variable sino constante.
Si el secundario se comporta realmente como variable, entonces hay una relación directa entre demanda y caudal y esto se traspasa al lado de primario, permitiendo ajustar el número de enfriadoras en marcha.
En un sistema con enfriadoras con un AT nominal de 5ºC, Un AT de 5ºC en secundario permite ajustar el número de enfriadoras a la demanda
En un sistema con enfriadoras con un AT nominal de 5ºC, Un AT de 3ºC en secundario rompe el equilibrio entre demanda y número de enfriadoras. En este caso, manteniendo la enfriadora 1 en marcha, hay defecto de caudal en primario y se eleva la temperatura de impulsión de colector.
En un sistema con enfriadoras con un AT nominal de 5ºC, Un AT de 3ºC en secundario rompe el equilibrio entre demanda y número de enfriadoras. En este caso para mantener la consigna en colector es necesario arrancar la unidad 2, no por capacidad sino por caudal
En un sistema con enfriadoras con un AT nominal de 5ºC, Un AT de 5ºC en secundario permite ajustar el número de enfriadoras a la demanda
En las imágenes de arriba se tienen 3 escenarios de trabajo, la misma configuración de planta y misma demanda en secundario, pero con diferentes AT en secundario a cargas parciales. Veamos que pasa:
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Escenario 1, el AT de secundario es de 5ºC, igual que el caudal nominal de selección de enfriadoras. En este escenario hay una relación directa entre la demanda y el número de enfriadoras en marcha, hay un exceso de caudal en primario que circula por el colector hacia la zona de retornos, se mezcla con los retornos de la instalación y la resultante es agua mezclada a 11ºC
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Escenario 2, el AT de secundario es 3ºC mientras que el AT de caudal nominal de enfriadoras es de 5ºC. La enfriadora 1 suministra 400 KW al secundario, pero ahora hay defecto de caudal en primario y esto hace que agua caliente de los retornos se mezcle con agua fría. El resultado es una temperatura de impulsión de 8ºC en secundario. La cuestión es si esta temperatura es aceptable para el sistema. Si la respuesta es no, entonces sólo hay dos formas de proceder:
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bajar la consigna de enfriadora por debajo de 7ºC para compensar la mezcla, con el consecuente consumo de energía
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Arrancar la enfriadora 2 y Pasar al escenario 3:
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Escenario 3, el AT de secundario es 3ºC mientras que el AT de caudal nominal de enfriadoras es de 5ºC. Aunque por capacidad la enfriadora 1 puede suministrar la demanda, para mantener el exceso de caudal en primario y no elevar la temperatura de impulsión en colector es necesario arrancar la enfriadora 2..
Aquí se tiene un claro ejemplo que controlar intentando acoplar la producción a la demanda en términos de KW sin vigilar los caudales, es una estrategia que no es válida si el sistema no tiene un AT correcto.
6 - AT DISEÑO PRIMARIO Y SECUNDARIO
El primario y el secundario deben ser diseñados con el mismo AT para que haya una relación directa entre capacidad y demanda y número de enfriadoras. Si el AT es el mismo, siempre habría exceso de caudal en primario.
Razones por las que no se tiene el mismo AT:
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Error en el diseño, simplemente porque no se ha tenido en cuenta
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Mala selección de bombas, que por ejemplo con todo en marcha se tenga menos caudal en primario que el nominal
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Mala selección de válvulas de control de las unidades terminales, que provoca que a cargas parciales no se regule correctamente y se tenga un AT inferior al diseño.
CASO 1
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Caudal constante primario constante AT 5ºC
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Caudal variable secundario AT 5ºC
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Demanda máxima secundario 2.000 KW
La línea verde representa la demanda de secundario, y por tanto la relación entre potencial y caudal con AT 5ºc]
Las líneas azules, representan el caudal y la capacidad de las enfriadoras. Se arranca enfriadora 1 a caudal constante de 86 m3/h. La diferencia sombreada en azul claro es el exceso de caudal en primario, es decir, el caudal de agua fría que circula por el bypass.
Cuando se corta la línea azul con la verde (punto 1), se igualan los caudales, y como el AT en ambos lados es el mismo, se ha igualado la potencia demandada con la producida y es momento de arrancar el siguiente equipo.
Se repite la operación, aumenta el caudal en primario hasta que se iguala con el secundario (punto 2) y se inicia la secuencia de adición
CASO 2
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Caudal constante primario constante AT 5ºC
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Caudal variable secundario AT 5ºC, a cargas parciales AT 3ºC
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Demanda máxima secundario 2.000 KW
La línea naranja discontinua representa la demanda de secundario, y por tanto la relación entre potencial y caudal con AT 3ºC a baja carga y según aumenta se aproxima más a un AT de 5ºC. Esto es debido a la mala regulación de las válvulas de control a baja carga.
La línea verde representa la relación caudal y potencia con un AT de 5ºC, en este caso para el primario.
Las líneas naranjas, representan el caudal y la capacidad de las enfriadoras. Se arranca enfriadora 1 a caudal constante de 86 m3/h. La diferencia sombreada en naranja claro es el exceso de caudal en primario, es decir, el caudal de agua fría que circula por el bypass.
Cuando la línea naranja (punto 1, 2 y 3) corta con la línea naranja discontinua, indica que se igualan los caudales de primario y secundario. En este punto hay dos formas de actuar:
•Agotar la capacidad de la enfriadora hasta su 100%, pero entre la línea discontinua y la verde, se produce defecto de caudal en primario y por tanto mezcla de agua caliente en el colector.
•Si es necesario mantener la consigna en colector, en este punto entonces se debe añadir la siguiente enfriadora en la secuenciación, aunque ésta aún tenga capacidad de operación.
Todo el área sombreada en naranja, es el exceso de caudal en primario
CASO 3
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Caudal constante primario constante AT 5ºC
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Caudal variable secundario AT 3ºC
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Demanda máxima secundario 2.000 KW
La línea naranja representa la relación entre caudal y potencia de secundario con un AT de 3ºC.
Para mantener exceso de caudal en primario, la operación de adición se lleva a cabo por caudal y no por capacidad de enfriadoras, como se ha visto en el ejemplo anterior.
La diferencia en este sistema es cuando trabajan las enfriadoras 2 y 3, aun habiendo mucha capacidad disponible, se debe arrancar la enfriadora 1 para compensar la diferencia de caudales. (punto 1).
Al alcanzar el punto 2, no queda más remedio que trabajar con defecto de caudal, y aún habiendo capacidad disponible en producción el sistema no es capaz de mantener la temperatura de impulsión
7 - ORDEN DE CONEXIONES DEL COLECTOR
El orden de conexiones en el colector es fundamental para poder llegar a tener una gestión optimizada del conjunto de enfriadoras.
Muchos de los problemas en las plantas existentes es que el orden de conexiones en el colector no es correcto y dificulta el control, tanto que incluso no se llega a tener una operación estable.
Dos reglas simples:
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Todas las enfriadoras toman agua a la misma temperatura
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Todos los secundarios toman agua a la misma temperatura
Otros aspectos en diseños de colectores, como el diámetro varían en función de como va a operar la planta. Ver más.
8 - RECOMENDACIONES DE DISEÑO
En una configuración del tipo desacoplado caudal constante primario y variable en secundario, se debe prestar atención a los siguientes puntos:
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Selección de enfriadoras
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Nada que destacar, las que mejor se adapten las circunstancias del proyecto
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En los estudios energéticos, tener en cuanta que enfriadoras en paralelo trabajan al mismo % de carga.
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Secuenciación de enfriadoras
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Adición por temperatura de impulsión en colector
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Adición por % de carga si se requiere adicionalmente una estrategia para trabajar a cargas parciales
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Sustracción por % de carga
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Sustracción por AT colector
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Sustracción por caudal de bypass
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Configuración de planta
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Configuración simétrica (todas las enfriadoras iguales) o configuración asimétrica
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Enfriadoras pico, base, pivotante
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Diseño del colector
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Exceso de caudal en primario
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Control de unidades terminales
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Prestar atención a la selección de V2V para asegurar un buen control de caudal y por tanto un AT similar al de diseño. Este elemento es vital para el correcto funcionamiento de la planta completa.
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