Caja de herramientas. Teoría. Calefacción. Teoría básica de bombas Bucles de mezcla. Teoría básica

Transcripción

1 básica de bombas Bucles de mezcla Calefacción básica

2 TEORÍA BÁSICA DE BOMBAS CURVA Q X H La curva característica de la bomba está indicada en el diagrama, donde Q (caudal) es el eje X y H (altura) o p (presión) es el eje Y. m 3 /H; l/s; m 3 /s H = mwc; p = kpa CURVA DE POTENCIA La curva de potencia P (potencia), se muestra en el eje Y y Q en el eje X. Q x p Q x H P = o P = ρ x g x η η η = rendimiento; ρ = densidad; g = aceleración debida a la gravedad La curva P puede ser P1 o P2 dependiendo del tipo de bomba. P = W; kw; HP CURVA NPSH NPSH (Net Positive Suction Head) expresa la pérdida de carga en la bomba y se utiliza, junto con la presión de vapor, para calcular la presión de entrada necesaria en la bomba para evitar cavitación. La curva NPSH muestra H (altura) en el eje Y y Q en el eje X.

3 TEORÍA BÁSICA DE BOMBAS CURVA DE RENDIMIENTO La curva muestra el η (rendimiento) de la bomba. El rendimiento se mide en %. Todas las bombas tienen un punto óptimo (η max. ), que muestra donde tienen su rendimiento mayor. El rendimiento de la bomba depende de su tamaño y de la calidad de su construcción/producción. Las bombas pequeñas tienen un menor rendimiento que las grandes. POTENCIA ABSORBIDA P1 es la potencia total absorbida por sistema de bombeo. P2 es la potencia que viene del motor (potencia eje). La diferencia entre P1 y P2 indica el rendimiento del motor (η mot. ), o el rendimiento del motor (η mo ) + el rendimiento de control de velocidad (η reg. ). P3 es la potencia absorbida por la bomba. P4 es la potencia hidráulicao (Q x H). La diferencia entre P3 y P4 indica el rendimiento de la bomba (η pu ). PUNTO DE TRABAJO El punto de trabajo es la intersección entre la curva Q H y las características del sistema. Punto de trabajo

4 TEORÍA BÁSICA DE BOMBAS CARACTERÍSTICAS DEL SISTEMA Las características del sistema muestran la pérdida de carga en el sistema como una función del caudal. El punto de comienzo de las características depende del tipo de sistema. a. En un sistema cerrado (circulación de líquidos) empieza siempre a caudal 0 (caudal 0; altura 0). b. En un sistema abierto (trasiego de líquidos) el punto de partida depende de H geo (altura geométrica). H H Q Q CARACTERÍSTICAS DEL SISTEMA Las características del sistema en paralelo disminuirán H. Suma horizontal. H H CARACTERÍSTICAS DEL SISTEMA Las características del sistema en serie incrementarán H. Suma vertical.

5 TEORÍA BÁSICA DE BOMBAS CARACTERÍSTICAS DEL SISTEMA Todas las características de sistemas tienen en común la conexión entre Q (caudal) y H (altura). Si Q disminuye a ½, H disminuye a ¼. BOMBAS EN PARALELO Las bombas en paralelo incrementarán Q. Suma horizontal. Para 2 bombas idénticas Q máx. será doble. H máx. quedará igual. Se utiliza normalmente en sistemas de bombeo. BOMBAS EN SERIE Las bombas en serie aumentarán H. Suma vertical. Para 2 bombas idénticas H máx. será doble. Q máx. quedará igual. Se utiliza normalente con bombas multicelulares.

6 TEORÍA BÁSICA DE BOMBAS CURVA DE LA BOMBA CONDUCTORA La curva de la bomba conductora muestra la potencia total de la curva positiva de la bomba y las características negativas del sistema (Pu C = X). Se utiliza para ilustrar gráficamente una conexión hidráulica de sistemas. curva REVOLUCIONES DE LA BOMBA Cuando se cambian las revoluciones de la bomba (n) a una velocidad inferior o superior, la curva de la bomba cambia también. H Q PUNTO CONECTADO Ecuación de afinidad: Q 1 /Q 2 = n 1 /n 2 H 1 /H 2 = (n 1 /n 2 ) 2 P 1 /P 2 = (n 1 /n 2 ) 3

7 TEORÍA BÁSICA DE BOMBAS Caldera: Φ = 210 [kw] t = 20 o C 9.1 [m 3 /h] H = 1.5 [m] Temperatura constante Caudal variable Pu2 Sistema de radiadores: Φ = 160 [kw] t = 20 o C 6.9 [m 3 /h] H = 3.5 [m] Temperatura variable Caudal constante Producción de agua caliente: Φ = 50 [kw] t = 20 o C 2.2 [m 3 /h] H = 2.0 [m] Temperatura constante Caudal variable Pu1 M 4.0 Punto de trabajo calculado m Pu1 UPS PuX 1 C Pu2 UPS 40-60/2 F Punto de trabajo calculado PuX 2 PuX 1+2 C 2 C m 3 /H m 3 /H CONEXIONES HIDRÁULICAS Ejemplo utilizando el método gráfico y las curvas de la bomba conductora para determinar la selección correcta de más de una bomba en el sistema. En este caso dos bombas reparten la pérdida de carga en parte del sistema (la caldera). El diagrama muestra la altura máx. de ambas bombas, necesaria para garantizar el caudal máx. correcto. La altura del sistema de radiadores debe ajustarse para limitar el caudal. DATOS DE LA BOMBA: Pu1 = UPS H = 4.0 [m] 2.2 [m 3 /h] Pu2 = UPS 40-60/2F H = 5.2 [m] 7.6 [m 3 /h] (sin ajuste)

8 BUCLES DE MEZCLA Bucles de mezcla y válvulas de control Sistema 1 Sistema 2 Sistema 3 Sistema 4 Sistema 5 Sistema 6 Carga Load Carga Load Carga Load Carga Carga Load Carga Load Bombas principales M M M M M Suministro calor Separación hidráulica NO SI NO SI SI SI Control temperatura NO SI NO SI SI SI Inversión PEQUEÑA MEDIA MEDIA GRANDE GRANDE GRANDE Costes funcionamiento BAJOS BAJOS BAJOS BAJOS ALTOS ALTOS

9 BUCLES DE MEZCLA SISTEMA 1 Función: La carga será normalmente un intercambiador, donde la temperatura fuera del mismo es el punto de ajuste. El caudal disminuye al cerrarse la válvula. Se puede colocar la válvula en la tubería de alimentación o de retorno. El caudal disminuye al cerrarse la válvula. Si una bomba no controlada está instalada en el primario, la presión diferencial en el punto de conexión aumentará al disminuir el caudal. Interacción con bomba con control de velocidad: La bomba bajará de velocidad al cerrarse la válvula. Se recomienda normalmente control de presión proporcional en sistemas donde la pérdida de carga se dividide entre el sistema de tuberías y las válvulas de control. t = Constante Variable Punto conexión Carga Sistema principal Altura Válvula cerrando Válvula abierta Caudal

10 BUCLES DE MEZCLA SISTEMA 2 Función: La carga será normalmente una superficie de calor o un sistema de radiadores, donde se necesita una temperatura variable. El caudal en el secundario será normalmente mayor, debido a una reducción de la temperatura. El caudal puede ser constante o variable, dependiendo del sistema. Se puede colocar la válvula en la tubería de alimentación o de retorno. El caudal disminuye al cerrarse la válvula. Si una bomba no controlada está instalada en el lado primario, la presión diferencial en el punto de conexión aumentará al disminuir el caudal. Interacción con bombas con control de velocidad: Debido al mayor caudal en el secundario, una bomba con control de la velocidad será la bomba principal en el sistema secundario. La bomba bajará de velocidad al cerrarse la válvula. Se recomienda normalmente control de presión proporcional en sistemas donde la pérdida de carga está dividida entre el sistema de tuberías y las válvulas de control. t = Variable Constante Variable Punto conexión Carga Sistema principal Altura Válvula cerrando Válvula abierta Caudal

11 BUCLES DE MEZCLA SISTEMA 3 Función: La carga será normalmente un intercambiador, donde la temperatura fuera del mismo es el punto de ajuste. El caudal disminuye al cerrarse la válvula. Se puede colocar la válvula en la tubería de alimentación o de retorno. La pérdida de carga en el bypass tiene que ser similar a la pérdida de carga del sistema. El caudal es constante, pero la temperatura diferencial cambiará al ajustarse la válvula. Interacción con bombas con control de velocidad: t = Constante Variable T Carga B A AB M Una bomba con control de presión no reaccionará al ajustarse la válvula, pero se puede controlar la velocidad de la bomba en base do a la temperatura, temperatura de retorno constante y temperatura diferencial constante. Constante Punto conexión Sistema principal Altura Conexión A o Conexión B Caudal

12 BUCLES DE MEZCLA SISTEMA 4 Función: La carga será normalmente una superficie de calor o un sistema de radiadores, donde se necesita una temperatura variable. Debido a una reducción de la temperatua de alimentación, el caudal en el secundario será normalmente mayor. El caudal puede ser constante o variable, dependiendo del sistema. Se puede colocar la válvula en la tubería de alimentación o de retorno. t = Variable Variable/ Constante Carga El caudal disminuye al cerrarse la válvula. Si una bomba no controlada está instalada en el primario, la presión diferencial en el punto de conexión aumentará al disminuir el caudal. M AB A B Interacción con bombas con control de velocidad: Variable Debido al mayor caudal en el secundario, una bomba con control de velocidad será la bomba conductora en el sistema secundario. Punto conexión La bomba bajará de velocidad al cerrarse la válvula. Se recomienda normalmente control de presión proporcional en sistemas donde la pérdida de carga se dividide entre el sistema de tuberías y las válvulas de control. Sistema principal Altura Válvula cerrando AB -B Válvula abierta AB - A Caudal

13 BUCLES DE MEZCLA SISTEMA 5 Función: La carga será normalmente una superficie de calor o un sistema de radiadores, donde se necesita una temperatura variable. Debido a una reducción de la temperatura del caudal, el caudal en el secundario será normalmente mayor que en el primario. El caudal puede ser constante o variable, dependiendo del sistema. Se puede colocar la válvula en la tubería de alimentación o de retorno. t = Variable Constante Carga El caudal es constante, pero la temperatura diferencial cambiará al ajustarse la válvula. B A Interacción con bombas con control de velocidad: Debido al mayor caudal en el secundario, la bomba con control de la velocidad será la bomba conductora en sistemas secundarios. Una bomba con control de presión no reaccionará al ajustarse la válvula, pero se puede controlar la velocidad de la bomba debido a la temperatura, temperatura de retorno constante y temperatura diferencial constante. Constante Punto conexión AB Sistema principal Altura Conexión A o Conexión B Cauda

14 BUCLES DE MEZCLA SISTEMA 6 Función: La carga será normalmente una superficie de calor o un sistema de calefacción, donde se necesita una temperatura variable. Debido a una reducción de la temperatura del caudal, el caudal en el secundario será normalmente mayor que en el primario. El caudal puede ser constante o variable, dependiendo del sistema. Se puede colocar la válvula en la tubería de alimentación o de retorno. El caudal es constante, pero la temperatura diferencial cambiará al ajustarse la válvula. t = Variable Constante Carga B AB A Interacción con bombas con control de velocidad: Debido al mayor caudal en el secundario, la bomba con control de velocidad será la bomba conductora en sistemas secundarios. Constante Una bomba con control de presión no reaccionará al ajustarse la válvula, pero se puede controlar la velocidad de la bomba en base a la temperatura, temperatura de retorno constante y temperatura diferencial constante. Punto conexión Sistema principal Altura Conexiónt A o Conexiónt B Caudal

15 BUCLES DE MEZCLA Válvulas de 3 vías: Válvula 3 vías para mezcla Válvula 3 vías para división Load Carga Load Carga Temperatura variable Temperatura constante Caudal constante Caudal variable AB A B B A Caudal variable Caudal constante AB Válvulas de control de la presión: Seguridad Presión constante M + - p constante - + p constant Presión constante Caudal constante Caudal constante + - p constante - +

16 Calefacción TEORÍA BÁSICA PÉRDIDA DE CALOR El sistema de calefacción debe compensar la pérdida de calor en el edificio. Por lo tanto, esta pérdida será la base para todos los cálculos en relación al sistema de calefacción. Se debe utilizar la siguiente fórmula: U x A x (t i -t u ) = Φ Φ = Caudal de calor (pérdida calor) en [W] U = Coeficiente de transmisión en [W/m 2 K] A = Área en [m 2 ] t i = Dimensionamiente temp. interior en [ C] t u = Dimensionamiento temp. exterior en [ C] Caudal en % = Variación Variation de in caudal = Cálculo perfil CÁLCULO DE CAUDAL Cuando se conoce el caudal de calor Φ, deben determinarse la temperatura de la tubería de alimentación t F y la temperatura de la tubería de retorno t R con el fin de poder calcular el volumen del caudal Q. Las temperaturas no sólo determinan el volumen del caudal, sino también cuándo hay que dimensionar superficies de calefacción (radiadores, caloríferos, etc). Se debe utilizar la siguiente fórmula: Horas funcionamiento en % Φ x 0.86 (t F -t R ) = Q Φ = Demanda de calor en [kw] Volumen de caudal en [m 3 /h] t F = Dimensionamiento temperatura tubería alimentación en [ C] t R = Dimensionamiento de la temperatura de la tubería de retorno en [ C] 0.86 es el factor de conversión ( kcal/h to kw )

17 Calefacción TEORÍA BÁSICA CÁLCULO DE PÉRDIDA DE CARGA: Para seleccionar la bomba correcta y tener un equilibrio correcto en el sistema es necesario calcular la pérdida de carga en todas las partes del sistema. Un sistema de calefacción puede dividirse en 3 partes: Producción de calor: Calderas, intercambiadores de calor, paneles solares, generadores, etc. Distribución de calor: Tuberías, empalmes, válvulas, bombas. Consumo de calor: Radiadores, calorífugadores, superficies de calor, fancoils, suelos radiantes, producción de agua caliente sanitaria. Después de dimensionar el sistema debe hacerse un cálculo de la pérdida de carga. La pérdida de carga (altura) hasta el punto crítico, es decir el punto donde existe la mayor pérdida de carga, debe ser la pérdida de carga de dimensionamiento de la bomba. Si el sistema es grande, será ventajoso dividirlo en zonas, para facilitar el cálculo de la pérdida de carga. Al dividir el sistema en zonas es importante definir los componentes que pertenecen a la parte de distribución y los que pertenecen a la zona individual. Después del cálculo se puede dibujar una característica del sistema en un sistema coordinado, donde la pérdida de carga (H) está trazada en el eje Y y el volumen del caudal (Q) en el eje X. La tubería está normalmente dimensionada en una pérdida de carga máxima por m de tubería, donde Pa/m es una buena base. Otra posibilidad es que la velocidad de las tuberías determinen el dimensionamiento, hasta 100 mm de tubería = 1 m/s (aprox. 28 m 3 /h). Un dimensionamiento económico de las tuberías debe hacerse cuando las tuberías miden más de 100 mm. Producción calor Producción calor Eje Y Distribución principal Distribución calor Consumo calor Zona 1 Zona 2 Punto trabajo Eje X

18 Calefacción TEORÍA BÁSICA PRESIÓN ESTÁTICA: La presión estática del sistema es la presión que no está generada por la bomba circuladora. La presión estática depende de la construcción del sistema. Distinguimos entre dos tipos de sistemas: Sistema abierto y sistema presurizado. La presión estática tiene gran influencia en las bombas y en las válvulas. Si la presión estática es demasiado baja, el riesgo de cavitación aumenta, especialmente a temperaturas altas. Para bombas del tipo de rotor encapsulado se indica una presión mínima de entrada (presión estática). Para bombas grandes se puede calcular la presión estática desde el valor del NPSH de la bomba. La altura del nivel de agua en el tanque de expansión da la presión estática. En el ejemplo indicado, la presión estática antes de la bomba es de aprox. 1,6 m. No se utilizan a menudo sistemas abiertos, pero si la fuente de calor es por ejemplo un sólido sistema de gasoil, puede ser necesario que el sistema sea abierto. Un sistema presurizado tiene un tanque de presión de expansión con una membrana de goma, que separa el gas comprimido (nitrógeno) y el agua en el sistema. La presión estática del sistema tiene que ser aprox. 1,1 x la presión de entrada del tanque. Si la presión estática es superior, el tanque pierde su capacidad de absorber la dilatación del agua que ocurre cuando se calienta. Esto puede ocasionar aumentos de presión involuntarios en el sistema. Si la presión estática en el sistema es inferior a la presión de entrada, no habrá reserva de agua cuando la temperatura en el sistema baja, esto puede en algunos casos dar lugar a un vacío en el sistema, y existe el riesgo de que entre aire. Sistema abierto Presión atmosférica Presión estática del sistema Presión estática del sistema Sistema presurizado Gas precomprimido Presión estática del sistema Presión estática [m] Gas precomprimido