SOLUES PARA INSTALAES HIDRULICAS EM

SISTEMAS DE CLIMATIZAO VIA ESTABILIZAO

DAS PRESSES DIFERENCIAIS

ESTUDO DE CASO: CARLOS GOMES 222,

PORTO ALEGRE/RS

Eng. Mec. Rafael Buratto

Especialista em Construes Sustentveis

rafael@ejr.com.br

Alcanar o sucesso em um projeto de climatizao significa gerar conforto para os

usurios, ter um custo operacional baixo e

manter o investimento otimizado na etapa de

execuo do sistema de climatizao.

O projeto eficaz e econmico em sistemas de gua afetado por complexas

relaes entre os vrios componentes do sistema. As temperaturas de

projeto da gua, a taxa de vazo, o projeto da tubulao, a seleo da

bomba, a seleo das unidades terminais e o mtodo de controle, esto

todos interligados. O tamanho e complexidade do sistema ir determinar a

importncia destas relaes para o sucesso na operao.

(HVAC Systems and Equipment - ASHRAE, 2004, p.12.1)

Problemas comuns em sistemas de gua gelada

o Sistema hidrulico complexo;

o Difcil balanceamento das vazes nas unidades terminais;

o Vlvulas de controle com baixa autoridade;

o Rudos nas vlvulas de controle;

o Grandes variaes de temperatura nos ambientes climatizados;

o O t da gua gelada no lao secundrio menor que o projetado;

o A vazo de gua gelada no lao secundrio maior que a projetada;

o Mesmo com sobra de capacidade nos resfriadores de lquido no se

consegue atender a carga trmica em alguns momentos.

Vlvulas de Duas Vias, Igual Percentagem (IPM)

o Interface entre a lgica de controle e os trocadores de calor;

o A caracterstica no linear de um trocador de calor compensada pela

vlvula de controle com caractersticas opostas.

Fonte: Autor adaptado de Petitjean, 2012, p.146.

o Kv, a vazo de gua gelada na unidade m3/h, para a

queda de presso de 1 bar estando a vlvula 100%

aberta.

Vlvulas de Duas Vias, Igual Percentagem (IPM)

o O disco caracterizador o responsvel por tornar uma vlvula,

originalmente de rpida abertura, em uma vlvula de igual percentagem

modificada.

Fonte: Autor adaptado de Contimetra, 2012, p.23.

Autoridade e seleo das vlvulas de controle

o Uma vlvula de controle, ao restringir a vazo de gua gelada, provoca

uma reduo na perda de presso dos demais componentes.

o Uma vlvula de controle 100% aberta est sujeita presso disponvel

menos as perdas de carga do trocador de calor e acessrios da tubulao

p .

o Uma vlvula de controle fechada faz desaparecer as perdas nos demais

componentes p .

o A autoridade de uma vlvula de controle ( ) encontrada com a relao:

=pmin

pmax

Autoridade e seleo das vlvulas de controle

o Vlvulas superdimensionadas no tero autoridade suficiente para

resultar num adequado controle na temperatura do ambiente.

o Vlvulas subdimensionadas tero autoridade, mas iro imputar maiores

perdas de carga no sistema hidrulico.

o O uso de uma vlvula sem autoridade, associado a sistemas sem

controle sobre a presso diferencial, acarreta a passagem de gua

gelada em vazes maiores que as necessrias. Quanto maior for a perda

de autoridade, maior ser esta sobre vazo e maiores sero os prejuzos

para o t da gua gelada.

Vlvulas de balanceamento esttico

o Utilizadas para ajuste das vazes

operando a plena carga;

o Substituem, com vantagem, os

registros globo;

o Substituem a vlvula de bloqueio;

o Possuem dreno para esgotar a gua

da unidade terminal no caso de

manuteno.

Cortesia Oventrop

Vlvulas de balanceamento esttico

o Utilizada em srie com as vlvulas de

controle, restringe a vazo mxima; Cortesia TA

o Desvantagem de ter Kv fixo, dificultando

a escolha do modelo mais adequado em

algumas situaes.

o Conforme Petitjean (2012, p.248): "Uma instalao bem projetada

e bem executada pode ter uma distribuio equitativa das vazes

e, portanto, das capacidades. No entanto, ainda necessrio

restringir os fluxos em unidades favorecidas, a fim de obter a vazo

suficiente para outros circuitos.

o Possibilidade de leitura da vazo com equipamento adequado;

o Rpido diagnstico de problemas.

As vlvulas de balanceamento so essenciais. Se existe uma falha durante a

operao normal e uma vlvula de controle se abrir, ento pode ocorrer um grande

acrscimo na vazo (curto circuito) nesta unidade terminal, se no houver uma vlvula

de equilbrio. Ocorre uma queda na presso do sistema hidrulico, e todas as demais

vlvulas de controle comearo a abrir para competir pelo fluxo. Sem equilbrio, uma

perturbao em uma parte do sistema vai se espalhar para todo o sistema, e vai

demorar algum tempo at que a estabilidade seja restaurada.

(BELIMO, 1999, p.15)

Vlvulas de balanceamento esttico

Vlvulas de balanceamento dinmico

Cortesia TA

o Estabilizam a presso diferencial;

o Aplicao de forma localizada;

o Aplicao em ramais;

o Simplificam sistemas complexos;

o Mantm a autoridade da vlvula de

controle;

o Indispensveis em sistemas onde no

ocorre alterao na rotao das

bombas correndo sobre a curva da

bomba;

o O comissionamento pode ser executado

em etapas;

o Tornam o sistema hidrulico menos

interativo.

Sndrome do baixo t

o A potncia gerada por uma central trmica est diretamente relacionada com a

vazo e com o t da gua em circulao pelo sistema. Utilizando unidades do SI e

para sistemas que utilizam gua sem aditivos teremos:

Q=m.4,186.t

Sendo: Q =(kW); m =( kg/s); t ( C)

A reduo no t da gua em circulao pelo sistema acarreta:

o Maior vazo de gua gelada para mesma capacidade frigorfica;

o Maior consumo de energia no bombeamento;

o Resfriadores de lquido recebem gua em temperaturas mais baixas;

"Embora geralmente o problema relatado seja a reduo no diferencial de

temperatura no lado da gua, o problema real est no correspondente aumento

na vazo de gua em circulao. Especialmente em condies de cargas parciais

quando a vazo no secundrio aumenta em relao carga de refrigerao e

mais resfriadores de lquido e torres de arrefecimento so necessrias para

manter os requisitos de vazo do sistema, mesmo que os limites de capacidade

de refrigerao dos resfriadores ainda no tenha sido atingido. Ambos, o alto

consumo de energia de bombeamento, bem como reduo da eficincia dos

resfriadores que operam em condies de baixa carga, podem levar a uma

diminuio da eficincia global do sistema de gua gelada.

(HENZE, 2013, p.102)

Sndrome do baixo t

Formas para mitigar a degradao do t em sistemas de gua gelada so:

o Manuteno lado gua e lado ar.

o Eliminar o uso de vlvulas de trs vias para controle das unidades terminais;

o Selecionar as vlvulas de controle, autoridade e presso de close-off;

"Vlvulas de controle superdimensionadas fazem que o controlador cae a

vazo ideal de gua gelada, alternando a abertura e o fechamento da vlvula

buscando acertar o set point. A vazo que passa pela vlvula nesta situao

maior do que a desejada, e, assim, o delta-T reduzido" Taylor (2002, p.644)

o Presso diferencial estvel sobre a vlvula de controle;

o Utilizar vlvulas para balanceamento esttico nas unidades terminais;

o Ajuste correto no set point de temperatura dos ambientes;

o Limitar temperatura ambiente mnima na automao.

Bomba centrfuga com vazo varivel

o Promove reduo no consumo de energia;

o Estabiliza a presso diferencial;

() = .

100,58. =

.

75.

Sendo: Q=(l/s), p=(mca), =Rendimento

o Promove reduo no consumo de energia;

o Estabiliza a presso diferencial;

o Permite controle com menor autoridade;

o Ponto de medio;

o Set point.

o Leis de Afinidade ou Leis das Bombas

Vazo e Rotao 2 = 12

1

Vazo varia com relao linear em relao variao de rotao;

Presso e Rotao 2 = 12

1

2

Presso varia com uma relao quadrtica em relao vazo e rotao;

Potncia e Rotao 2 = 12

1

3

Potncia varia com uma relao cbica em relao vazo e rotao.

Bomba centrfuga com vazo varivel *

o Edifcio Comercial com pavimentos corporativos entregues com o sistema de

climatizao pronto para utilizao.

o Projeto conceitual desenvolvido pelo Eng. Vitrio Presotto, adota sistema de

climatizao do tipo expanso indireta com a utilizao de gua como fluido

intermedirio.

o A produo de gua gelada utiliza dois resfriadores de lquido Carrier, condensao a

ar, associados em srie. Cada resfriador de lquido conta com 8 estgios de

capacidade.

o Bomba primria nica, dimensionada para vencer as perdas de carga dos dois

resfriadores de lquido, mais a perda imposta por tubulaes e acessrios deste lao

hidrulico.

Carlos Gomes 222

o t do lao secundrio, previsto para ser de 10,0C a 11,0C;

o t dos resfriadores de lquido, previstos para ser de 5,0C a 6,0C;

o Tubo comum entre produo e consumo. Circuitos desacoplados;

o Utiliza vlvulas de controle de duas vias nas unidades terminais;

o Bomba do secundrio tem vazo varivel controlada por presso diferencial;

o Utiliza Vlvulas de controle da presso diferencial em ramais;

o Sistema de automao com ajustes independentes para as zonas climatizadas;

o Limitao na temperatura mnima para ajuste do set point dos ambientes;

Carlos Gomes 222

o Dados de seleo dos resfriadores de lquido, plena carga.

Carlos Gomes 222

Resfriador Resfriador 1 Resfriador 2

Modelo Carrier, 30GXE267386S Carrier, 30GXE267386S

Capacidade Total (kW) 1005 880

Potncia Eltrica (kW) 354 327

COP (kW/kW) 2,84 2,69

Vazo AG (l/s) 42 42

Temp. entrada AG (C) 16,7 11,0

Temp. sada AG (C) 11,0 6,0

tC 5,7 5,0

P (kPa) 57 57

o Fotografia com vazes e temperaturas de gua previstas para plena carga

Carlos Gomes 222

o Fotografia com vazes e temperaturas para carga parcial, em torno de 50%.

Carlos Gomes 222

Dimensionamento das vlvulas de balanceamento esttico e das

vlvulas de controle de duas vias

o Kv adotado para

vlvula de controle,

pode atenuar ou

agravar diferenas;

o Trocadores de calor

com diferentes p;

o Distncias e bitolas

diferentes;

o Menos favorecido

o Detalhamento dos componentes;

o Dimensionamento das tubulaes;

o Dimensionamento da V2V;

o Dimensionamento da VB.

Detalhe de montagem da rede hidrulica

para instalao da unidade terminal

Item Unidade Term. Oeste Unidade Term. Centro Unidade Term. Sul Unidade Term. Norte

1 Perda em tubulaes (kPa): 6,761 6,143 4,946 4,031

2 Perda em conexes (kPa): 2,073 3,129 1,414 1,131

3 Perda na Vlvula de Controle (Kpa): 39,069 30,863 19,132 27,038

4 Perda no trocador de calor (kPa): 6,847 22,436 12,478 10,310

Subtotal 54,750 62,570 37,970 42,510

5 Perda na V. Balanceamento (kPa): 11,320 3,500 28,100 23,560

6 Perda Total interno a C. Mquinas (Kpa): 66,070 66,070 66,070 66,070

7 Vazo de gua Gelada (l/s): 0,28 0,97 0,19 0,36

8 Kvs utilizado 1,60 6,30 1,60 2,50

9 Autoridade para V2V com 100% da vazo: 0,59 0,47 0,29 0,41

10 Bitola - modelo da V2V 1/2"- VG1241AE 3/4" - VG1241BL 1/2" - VG1241AE 1/2" - VG1241AF

11 Vlvula de balanceamento: TA - STAD 20 - 3/4" TA - STAD 40 - 1 1/2" TA - STAD 20 - 3/4" TA - STAD 20 - 3/4"

12 Pr ajuste da Vlvula de Balanceamento: 2,59 voltas 3,91 voltas 1,58 voltas 2,43 voltas

Casa de mquinas Pavimento Tipo - Conjuntos final 01 - Unidade terminal menos favorecida a Centro

Dimensionamento das vlvulas de balanceamento esttico e das

vlvulas de controle de duas vias

o O ponto de ajuste das vlvulas de balanceamento encontrado

utilizando-se a perda de presso que deve ser adicionada.

o O comissionamento fica facilitado pela existncia de um ponto de

ajuste calculado.

o As colunas hidrulicas do

lao secundrio esto

interligadas com cada uma

das casas de mquinas

dos conjuntos do

pavimento tipo, mediante o

uso de uma vlvula de

balanceamento esttico na

alimentao e de uma

vlvula de balanceamento

dinmico no retorno da

gua gelada.

Dimensionamento das vlvulas de balanceamento dinmico

Fonte: Autoria prpria.

o Os dados utilizados para a seleo so os apresentados na tabela anterior:

o Perda de carga total interna da casa de mquinas, 66,070 kPa;

o Vazo de gua gelada, somatrio das vazes das unidades terminais, 1,80 l/s.

o Resultado do selecionamento, presso diferencial interna 66,1 kPa e a presso

mnima na coluna hidrulica,77 kPa.

o Indica os ajustes que devero

ser feitos na etapa de

balanceamento, com posio 4

voltas para a vlvula STAD e 41

voltas para a vlvula STAP.

o Os ajustes podem ser copiado

para as demais casas de

mquinas

o Gerao de nova curva para o dimetro do rotor utilizado e, posteriormente,

gerao das curvas para as rotaes resultantes da reduo da frequncia;

o Os valores so estimativos, visto que os dados foram originados na leitura de

pontos em uma curva impressa do fabricante de bombas Worthington;

o Gerao da curva do sistema, com o clculo da perda de carga para vazo de

100% e posteriores redues de perdas de carga novas vazes em cargas parciais;

o O rendimento da bomba para o ponto de seleo em 60Hz de aproximadamente

75%, sendo possvel estimar as novas potncias consumidas;

o Considerando um rendimento de 85% para o motor eltrico e de 90% para o

inversor de frequncia, a eficincia total resulta em aproximadamente 57%.

o Deve ser fixado na programao dos parmetros de rotao da

bomba a vazo mnima que esta pode trabalhar sem que ocorra

recirculao de gua na voluta.

Selecionamento da bomba utilizada no lao secundrio

Selecionamento da bomba utilizada no lao secundrio

Fonte: Autoria prpria.

Estimativa da Potncia Consumida Bomba Secundrio

Item Frequncia Vazo (m3/h) Vazo (l/s) Presso (mCA) * Potncia consumida

1 60 Hz 167 46,389 20,0 0,57 16,18

2 55 Hz 152 42,222 18,2 0,57 13,40

3 50 Hz 138 38,333 16,6 0,52 12,17

4 45 Hz 121 33,611 15,1 0,52 9,70

5 40 Hz 105 29,167 13,6 0,50 7,89

6 35 Hz 87 24,167 12,0 0,50 5,77

7 30 Hz 68 18,889 10,6 0,47 4,24

8 25 Hz 41 11,389 9,0 0,40 2,55

Estimativa da Potncia Consumida - Bomba Secundrio - Carlos Gomes 222

Fonte: Autoria prpria.

Selecionamento da bomba utilizada no lao secundrio

Central Trmica Carlos Gomes 222 Porto Alegre - RS *

Resfriadores Carrier 30GXE 267

O funcionamento do sistema de climatizao do Carlos Gomes 222, sem significativas

variaes nas temperaturas internas e com o integral atendimento das cargas trmicas, um

indicativo de que as vlvulas de controle atuam sem sofrer a interferncia de variaes nas presses

diferenciais, no ocorrendo a perda de autoridade ou distores nas caractersticas de igual

percentagem destas. A inexistncia de rudos anormais, quando em cargas parciais, outro

indicativo de que a estabilizao das presses diferenciais evita o acrscimo na presso sobre a

vlvula de controle.

O t no lao secundrio, mesmo sofrendo alguma variao durante a operao, permanece

prximo aos 10C projetados, sendo mantida a vazo de gua gelada tambm dentro de valores

previstos.

O comissionamento nas redes hidrulicas foi feito em etapas e sem a interferncia entre

circuitos. O sistema hidrulico deixou de ser interativo. Podem ser feitas alteraes nos ajustes das

unidades terminais em uma casa de mquinas sem que esta alterao provoque um desequilbrio

de vazes no restante do sistema.

O uso de sistemas de controle de presso diferencial comprovou ser til para

mitigar a degradao do t no lao secundrio.

Muito Obrigado!

Eng. Mec. Rafael Buratto Especialista em Construes Sustentveis

rafael@ejr.com.br