Esta configuración es la evolución de los sistemas desacoplados de caudal constante en primario y variable en secundario, y se busca reducir al máximo el consumo de bombeo, reduciendo al máximo el caudal que circula por el bypass.
CONTENIDO
1 - FICHA TÉCNICA
2 - GENERALIDADES
Se trata de una configuración hidráulica en tendencia, una evolución de la configuración desacoplada con caudal variable en secundario en la que se pretende exprimir al máximo el ahorro energético en el bombeo.
El proyectista debe tener en consideración:
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Es obligatorio que el secundario sea caudal variable
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El máximo AT que se puede conseguir en primario siempre será ligeramente inferior al de secundario
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Para la regulación del caudal de primario hay que tener en cuenta el conjunto, y por tanto la regulación que viene incluida de fábrica en las enfriadoras, seguramente no sea válida cuando el sistema está compuesto por varias enfriadoras.
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, y adicionalmente se tiene mucho caudal circulando por el bypass durante mucho tiempo. Por ejemplo, con enfriadoras de gran tamaño que trabajan muy bien a cargas parciales y por eso no es necesario instalar una enfriadora pivotante.
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.
En una configuración del tipo desacoplado prestar atención al orden de conexiones del colector, es primordial, pero para hacer un caudal variable en primario es todavía mas importante. A lo descrito en las configuraciones anteriores, ahora entra en juego un detalle adicional, el orden de conexiones de los retornos si el AT de los secundarios no es el de diseño en todos los escenarios de funcionamiento. .
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.
El sistema de control debe gestionar también los variadores de frecuencia de las bombas de primario pero como consecuencia o adaptación del caudal al número de enfriadoras en marcha. Ver detalle más abajo.
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
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Sonda de retorno general
5 - EXCESO DE CAUDAL EN PRIMARIO Y AT MÁXIMO DE PRIMARIO
En la sección 5 Exceso de caudal en primario de la configuración desacoplado caudal variable en secundario, se detalla las condiciones, la necesidad y connotaciones que tiene que tener el secundario para considerase caudal variable y como afecta a la secuenciación de enfriadoras.
Sin embargo para poder llevar a cabo la variación de caudal en primario se debe tener SIEMPRE exceso de caudal en primario y para ello, el proyectista debe tener claro que:
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La configuración caudal variable en primario y constante en secundario no es compatible.
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El AT máximo que se puede conseguir en primario, siempre será inferior al AT de secundario; lógicamente si hay una corriente de agua fría que circula por el colector que se mezcla con el retorno de instalación.
En esta configuración, no tener exceso de caudal en primario, no sólo no tiene sentido, sino que además desde el punto de vista de eficiencia, que sería el objetivo, no sólo ahorra energía sino que se consume mas en las enfriadoras, ya que para poder compensar la mezcla de agua caliente en el colector se debe aplicar una estrategia de Chiller Water Reset.
6 - FORMAS DE CONTROL CAUDAL VARIABLE DE PRIMARIO
En primer lugar recalcar que se debe controlar teniendo en cuenta el conjunto, y por tanto es muy probable que el control individual que viene cargado en el controlador de las enfriadoras no valga. Ver más.
Hay varias formas de poder llevar a cabo el control de Hz en el bombeo, que dependerá de varios factores, como orden de conexiones en el colector, longitud del bypass, AT de los secundarios, proyecto nuevo o reforma, etc.
Como NO controlar la variación de caudal:
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Control individual de enfriadoras, normalmente hay dos opciones, AT constante o AP constante. Ninguna de las 2 son válidas.
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AP en el circuito de primario, tampoco es válida. Se recuerda que la función del colector es desacoplar el primario y secundario y que es un punto de presión diferencial casi nula, por lo que no hay variación de presión en función de la demanda.
Como SI controlar la variación de caudal:
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Si se dan todas las siguientes circunstancias:
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El orden de conexiones en el colector es correcto
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Todos los secundarios trabajan con un AT correcto en todo el rango de caudal
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Todos los secundarios trabajan con el mismo AT en diseño
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Se podría controlar en caudal de tal forma que la sonda de temperatura de retorno del colector sea X ºC inferior al retorno de los circuitos.
Este método no es recomendado ya que el sistema de control está ciego ante cualquier perturbación.
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Medir el caudal de bypass y modificar la velocidad de giro para mantener un ligero exceso caudal de primario, cuanto menos mejor.
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✅ Ventajas, no es necesario que se cumplan las condiciones anteriores
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❌ Inconvenientes, es necesario tener espacio en el bypass suficiente como para que la medición sea correcta, el diámetro del colector, y el coste del caudalímetro.
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Reunificando todos los retornos en un sólo punto antes de entrar al colector general, y con una sonda de temperatura de retorno general se trata de mantener un diferencial de XºC con la sonda de retorno del colector.
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✅ Ventajas: No hace falta que se cumplan las 3 primeras condiciones y el coste de inversión, sobre todo en nueva construcción.
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❌ Inconvenientes: En una instalación existente puede no haber espacio disponible en lasa de máquinas o no ser posible hacer un vaciado completo.
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7 - POTENCIAL DE AHORRO ENERGÉTICO
El objetivo de esta configuración es la disminución de consumo de energía en las bombas de primario.
El gráfico representa la relación entre caudal y potencia en una configuración desacoplada con caudal constante en primario y variable en secundario, en verde el secundario y en azul el primario:
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Secundario: La relación es lineal y proporcional si el AT se mantiene constante. Ver más
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Primario: La relación no es lineal, sino por escalones. Arranca la enfriadora 1 y su bomba de primario, bombea una cantidad fija de caudal independientemente de la capacidad entregada.
El caudal no utilizado, área sombreada en azul, es el sobre-caudal bombeado en primario y que se deriva al bypass,
El gráfico representa la relación entre caudal y potencia en una configuración desacoplada con caudal variable en primario y variable en secundario, en verde el secundario y en azul el primario:
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Primario: En este gráfico si que la relación de caudal bombeado y capacidad es proporcional, menos en las zonas de caudal mínimo de enfriadoras (1) y adición (3)
Nótese que la línea azul está representada ligeramente separada de la línea verde. Este área sería el ligero exceso de caudal que es necesario mantener entre primario y secundario.
¿ Y CUANTO ES EL AHORRO DE ENERGÍA?
Para calcular el ahorro de energía se debe tener en cuenta que el control de variador de bomba no se lleva a cabo por presión, sino que se reduce hz en base a caudal de bypass, bien por sondas de temperatura o caudalímetro, y por tanto se sigue la curva característica del circuito de primario (Kv) y la relación entre caudal y AP es cuadrática:
Kv = Q / √ΔP
donde
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Kv: Valor Kv [m³ / h]
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Q: Caudal [m³ / h]
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ΔP: Pérdida de presión en la válvula de regulación [bar]
Aplicando las leyes de afinidad de las bombas, se tiene que:
1.- El flujo es proporcional a la velocidad del eje
2.- La presión estática es proporcional al cuadrado de la velocidad del eje:
3.- La potencia eléctrica absorbida por el motor de la bomba es proporcional al cubo de la velocidad del eje
Por tanto, la reducción de consumo es proporcional cúbica frente a la reducción de caudal
En el gráfico de selección de la bomba de primario de los ejemplos, se muestra el punto de trabajo nominal (1), la curva de la bomba y la curva característica del circuito.
El punto 178 m3/h y 21,97 mca y 14,77 KW
Si se reduce el caudal a 140 m3/h (2), la pérdida de carga que ofrece el circuito es de 11,24 mca y el consumo a 6,4 KW
Si se reduce el caudal a 81 m3/h (3), la pérdida de carga que ofrece el circuito es de 4,3 mca y el consumo a 1,5 KW
8 - RECOMENDACIONES DE DISEÑO
En una configuración del tipo desacoplado caudal variable 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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Enfriadoras con mayor variación de caudal posible
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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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Control de velocidad de bombas de primario (control y diseño hidráulico)
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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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