Control de bajos caudales y del caudal mínimo de instalación

Con la introducción de tecnologías de ahorro energético y mejores materiales en la envolvente de edificios, la potencia destinada a climatizar los edificios se ha reducido dramáticamente. Indudablemente es una buena noticia ya que redunda en un menor impacto ambiental de las instalaciones HVAC. Una de las consecuencias positivas es que los caudales que circulan en nuestras instalaciones son mucho menores, especialmente si se utiliza un control modulante eficaz en las unidades terminales. Las instalaciones deben estar diseñadas para garantizar un caudal mínimo para las calderas de bajo contenido de agua y para las unidades de refrigeración, de modo que se pueda controlar su potencia de salida y mantenerlas funcionando de forma fiable. Lo mismo ocurre con las bombas de velocidad variable que requieren un caudal mínimo para un funcionamiento fiable. En este artículo se describe el problema que representa un bajo caudal a través de calderas, enfriadoras y bombas de circulación; las soluciones hidrónicas para garantizar el caudal mínimo y cómo controlar de forma eficaz pequeños caudales.

La tarea principal de un ingeniero de HVAC es mantener el confort de los ocupantes de un edificio, con el menor coste posible, asegurando un suministro sin interrupciones por frecuentes averías o mantenimiento y una larga vida útil de los equipos de climatización y calefacción.

Las nuevas tecnologías nos deberían permitir alcanzar estos objetivos siempre que mantengamos el control de la energía utilizada para mantener las temperaturas adecuadas, a pesar de las condiciones meteorológicas externas. Aquí es donde entra el sistema de control.

La elección del modo de control ('todo-nada', '3 puntos' o 'modulante') depende del tiempo de respuesta del sistema que se está controlando, pero también de la precisión deseada y la estabilidad de la temperatura.

Además de la precisión y estabilidad del control, el diseñador del sistema (oficina de diseño) debe considerar el rendimiento total de la instalación (consumo de energía) en función del tipo de control recomendado para las unidades terminales.

Fig. 1 Intercambio térmico básico.

Fig. 2 Fórmula para el cálculo de potencia térmica en función de caudal y salto térmico ΔT.

Fig. 3. Fórmula simplificada para agua a 20°C.

Por lo tanto, los caudales en una instalación HVAC están directamente relacionados con la potencia necesaria y con el ΔT. En estos días, la producción de energía de calefacción requerida es mucho menor en comparación con la década de 1970.

El coeficiente G de la gráfica 4 se ha reducido en un factor de 4.

Fig. 4 Cambio del consumo de energía en edificios.

El caudal en nuestras instalaciones también depende del ΔT (diferencia entre la temperatura del agua de retorno y el de flujo) utilizado para dimensionar intercambiadores de calor, baterías y emisores.

Elevar el ΔT permite disminuir el caudal, lo que reduce el diámetro de tuberías, válvulas, accesorios hidráulicos y también el consumo de energía de las bombas.

La elección del ΔT influye en el comportamiento térmico de los intercambiadores, como se comprueba en la siguiente figura, dado que el incremento de ΔT resulta en el incremento del coeficiente Φ, el coeficiente de eficiencia térmica del intercambiador.

La curva en color rojo de figura 5 corresponde a un ΔT de 25°C (70°C-45°C). Nos dice que la potencia de salida en función del caudal tiene menor “pendiente” que la curva de color azul correspondiente a un ΔT de 20°C (80°C-60°C), lo que es beneficioso en términos de control de potencia. Sin embargo, debemos tener en cuenta la mayor sensibilidad al control en la zona cercana al 100% del caudal, el caudal de diseño o nominal. Un error de control del caudal nominal tendrá un mayor impacto en la potencia emitida por este intercambiador.

Fig. 5. Impacto de ΔΤ en la curva de emisión

La tendencia actualmente es reducir las temperaturas de suministro para calefacción y aumentarlas en sistemas de refrigeración para obtener mejores eficiencias en la distribución y producción. Esta tendencia no deja mucho margen para aumentar demasiado el ΔΤ, ya que esto haría que las superficies de intercambio térmico fueran demasiado grandes y costosas de fabricar.

Ya se ha comentado las condiciones de funcionamiento nominales, es decir, la potencia necesaria y el ΔΤ del cálculo de la instalación. El caudal de una instalación también depende de la potencia requerida durante el funcionamiento durante el período de calefacción o refrigeración.

Fig. 6. % del tiempo de operación en calefacción/climatización frente a la demanda.

Los gráficos de la figura 6 muestran que durante el 85% del período de calefacción y el 73% del período de climatización, la instalación funciona con una carga (potencia) inferior al 50%. Claramente, estos valores variarán según el tipo de edificio y el uso y según la región climática.

El hecho es que, la mayor parte del tiempo, nuestras instalaciones de calefacción y aire acondicionado funcionan a menos del 50% de potencia.

La curva de potencia de salida en función del caudal (figura 5) muestra que para el 50% de la potencia, un caudal del orden del 20% es suficiente. Una instalación de caudal variable con control “modulante” normalmente funcionará con caudales bajos cercanos al 20% del caudal nominal.

Los caudales bajos afectan a toda la instalación de HVAC.

Aunque en teoría es posible reducir el caudal, se debe tener cuidado para garantizar el caudal mínimo requerido para calderas, unidades de refrigeración o bombas de calor.

Las bombas modernas operan a velocidades variables y también requieren un caudal mínimo para seguir funcionando correctamente durante periodos prolongados.

En términos de distribución (sistema de tuberías), los caudales bajos afectarán las velocidades de circulación teniendo como consecuencia la posibilidad de formación de bolsas de aire y capas de sedimentos. La caída de temperatura en la distribución también será mayor para caudales bajos.

Y finalmente, la elección de las válvulas de control y las características de las válvulas de equilibrado deben tener en cuenta los problemas de control con caudales más bajos, que siempre son más difíciles de manejar.

Fig 7. Condicionantes de caudal mínimo en instalaciones HVAC.

Caudal mínimo admitido por las bombas.

Es evidente que una bomba no debe funcionar sin circulación de agua. La energía de bombeo que no se traduce en movimiento del fluido se transforma en calor, que puede dañar ejes, rodetes y sellos mecánicos. La figura 8 muestra cómo la circulación del fluido contribuye a refrigerar el motor.

El caudal mínimo para garantizar la correcta operación de una bomba depende de la tecnología y materiales usados en su diseño y construcción

Fig 8. Refrigeración del motor de una bomba.

Requisitos de caudal mínimo

La información contenida en la figura 9 procede de Wilo y proporciona un ejemplo de los caudales mínimos que se deben garantizar, de acuerdo al tipo de bomba empleado.

Fig 9. Caudal mínimo según la tecnología de la bomba.

Caudal mínimo en calderas y enfriadoras

Para las enfriadoras de agua, normalmente se consideran dos factores: el caudal mínimo aceptable para el evaporador y la velocidad de variación del caudal. La velocidad de variación del caudal admisible puede ser muy diferente según esté configurado el sistema de control de etapas de cada enfriadora.

Fig 10. Enfriadora de agua y caldera.

Los sistemas de control más sofisticados permiten variaciones rápidas del caudal de hasta un 30% por minuto, pero los menos sofisticados no aceptan variaciones demasiado rápidas, por lo que su límite sería del 2-5% por minuto.

El caudal mínimo aceptable para los evaporadores suele estar entre el 40% y el 60% del caudal nominal, pero por supuesto, se deben seguir fielmente las recomendaciones del fabricante.

El contenido de agua de las calderas ha disminuido drásticamente para lograr una mayor eficiencia, y aunque es posible modificar el caudal, es necesario garantizar un caudal mínimo a través de ellas para evitar tensiones termomecánicas, eliminar el calor y por tanto, proporcionar un control de potencia estable.

Algunos fabricantes instalan una bomba de recirculación para garantizar el caudal mínimo recomendado que, según las especificaciones consultadas, suele estar entre el 10% y el 30% del caudal nominal.

Sedimentación de lodos y paquetes de burbujas

Un caudal bajo implica que el fluido circula lentamente por el sistema de tuberías.

Las partículas en suspensión producidas por la corrosión (a su vez causada por entrada de aire), se acumularán con el tiempo en las tuberías, bloqueando intercambiadores y válvulas.

Para evitar esta situación, los mejores remedios son una correcta presurización para evitar el ingreso de aire y eficaces separadores de lodos y burbujas

Fig 11. Sedimentación de lodos en tubería.

Las pérdidas térmicas en las tuberías de distribución

El cambio de la temperatura del fluido que circula a través de una red de tuberías depende de las pérdidas o ganancias térmicas por metro de tubería y del caudal de circulación. Para un régimen de temperatura determinado, las pérdidas dependen obviamente del aislamiento de la tubería.

En el gráfico de la figura 12 se observa que para una tubería correctamente aislada (curva azul), el descenso de temperatura será despreciable hasta el 20% del caudal nominal.

A partir del 20% del caudal, la caída de temperatura es de unos 0,2°C por metro de tubería.

En caudal variable, un caudal del 20% corresponde al 50% de la potencia, y esto sucede durante la mayor parte del tiempo de funcionamiento de la instalación. En este punto, la caída de temperatura (ganancia en frío) ya no es despreciable.

Fig. 12. Pérdida de temperatura en una tubería DN 32 aislada y no aislada en función del caudal.

Una forma sencilla y popular de garantizar que el caudal nunca caiga por debajo del mínimo es utilizar un bypass 'estático' (figura 13), que garantice un caudal constante a través de las calderas o enfriadoras de agua.

Este bypass está dimensionado para crear una ligera caída de presión que creará un “desacoplamiento” hidráulico entre el primario y el secundario del bypass.

Una variación del caudal, por ejemplo, causada por el cierre de las válvulas de control en las unidades de tratamiento de aire o de fancoil, no tendrá ningún efecto sobre el caudal que circula por las enfriadoras de agua.

No abordaremos aquí el tema del dimensionamiento del bypass, pero téngase en cuenta lo importante que es garantizar la compatibilidad de los caudales entre el primario y el secundario del bypass.

Fig 13. Bypass “estático” (reductor de la presión, etc.).

Esto significa que el 50% del agua de retorno de la instalación atraviesa el bypass de arriba a abajo y se mezcla con el agua de salida de los grupos de refrigeración a 6°C.

La mezcla afecta a la temperatura de impulsión de la instalación, alcanzando 7,9°C en lugar de 6°C. Sería necesario un grupo de refrigeración adicional para compensar los problemas relacionados con este cambio de temperatura. Esto afecta gravemente a la eficacia global de la instalación. Por eso, es esencial ajustar el caudal secundario a un valor apenas un 5% inferior al caudal primario.

Fig 14. Incompatibilidad de caudales entre el primario y el secundario del bypass.

Para mejorar la eficiencia de la producción, cada vez es más aconsejable hacer funcionar las enfriadoras de agua y las calderas con un caudal variable.

Para ello, se utiliza un bypass llamado 'dinámico' (figura 15) que permanece cerrado hasta que el caudal primario se aproxima al caudal mínimo exigido por el fabricante de las calderas o enfriadoras de agua.

Fig 15. Bypass 'Dinámico'.

Se trata de tecnologías de “diafragma + muelle”, las más eficaces de las cuales tienen un rango proporcional del orden del 20%. La presión diferencial debe aumentar un 20% para que la válvula se abra al 100% y deje pasar el caudal mínimo requerido.

La mejor opción de derivación, aunque la más cara, es una válvula motorizada. La válvula se abre en función del caudal primario medido por un caudalímetro.

A medida que el caudal se acerca al límite aceptable, la válvula de derivación se abre gradualmente. Hay que prestar especial atención a la calidad de la válvula motorizada, que no debe abrirse o cerrarse demasiado bruscamente, lo que terminaría provocando golpes de ariete.

Para proteger las bombas, se debe mantener las tuberías a una temperatura estable y evitar las bolsas de aire y los sedimentos, garantizándose un caudal mínimo de circulación hasta el final de cada circuito (figura 16), y el cuadro de la figura 17 resume cuatro posibles formas en que podemos garantizar este caudal mínimo

Fig 16. Caudal mínimo al final de los circuitos.

Fig 17. Ventajas e inconvenientes de las derivaciones al final del circuito.

Un bypass estático con una válvula de equilibrado STAD tiene la ventaja de ser fácil de instalar y de bajo coste. Este bypass se ajusta por debajo (2/3) del caudal mínimo deseado. Este ajuste por debajo permite aumentar la presión y, por tanto, el caudal cuando se cierran las válvulas de 2 vías de la red en cuestión.

Este bypass estático puede complementarse con una válvula de descarga proporcional a la presión diferencial. Una válvula de descarga correctamente configurada no se abrirá a menos que la presión aumente tras el cierre de las válvulas de 2 vías de la red. Esto limita los costes de bombeo y los cambios no deseados en la temperatura de retorno.

También se puede mantener un caudal mínimo utilizando válvulas de 3 vías mezcladora en lugar de válvulas de 2 vías para las últimas unidades terminales de la red. Esta solución también es fácil de instalar, pero no permite optimizar las temperaturas de retorno de los circuitos.

Otra solución muy conveniente es utilizar una válvula motorizada en la derivación, controlada para mantener el caudal mínimo necesario. Una válvula de presión independiente en el bypass garantizará que el caudal no supere el valor límite especificado por el diseñador de la instalación.

Todas las disposiciones tienen ventajas e inconvenientes. Nuestra sugerencia es comparar las necesidades de control de la instalación según su complejidad, necesidad de continuidad de servicio y si es necesaria una gran resiliencia ante interrupciones de alimentación o fallos de control. Una combinación de estas cuatro disposiciones, por ejemplo la válvula de bypass y la válvula de control independiente de la presión (incluso sin actuador), proporcionaría operación autónoma sin complejidad de configuración, pero el técnico debe valorar si compensa el coste de ambos elementos.

En las instalaciones hidrónicas, no solo es necesario mantener un caudal mínimo de seguridad, es además crucial controlar con precisión y fiabilidad la entrega de potencia de las beterías e intercambiadores, cuando trabajan con caudales reducidos.

Para conseguirlo, los diseñadores tienen que prestar especial atención a la curva característica de las válvulas de dos vías y al punto de inflexión que se aprecia a bajos caudales. Ese punto se define como el cambio de pendiente, donde la curva ideal de corte isoporcentual, se separa de la curva real.

Fig 18. Inflexión de la curva característica de una válvula de dos vías.

Puede parecer que no son importantes estas consideraciones para un modo de control “todo-nada”. Al fin y al cabo la válvula sólo abre o cierra. Ya se ha estudiado que ese modo de control puede no proporcionar el nivel de confort esperado y que impacta negativamente en el consumo, pero si aun así, el diseñador decide el uso de un control todo nada, debe tener cuidado de que la curva característica sea lineal, primero para estar seguros de que los posibles ajustes de la válvula a diferentes caudales máximos se puedan hacer con precisión y segundo para evitar bruscas aportaciones de potencia mientras se produce el obligado tiempo de apertura de la válvula. Imaginen los lectores el impacto si el circuito hidráulico no está además correctamente equilibrado.

Para un control “modulante” estable, fiable y preciso, estudiar la forma de la curva y el punto de inflexión son cruciales. La característica isoporcentual es la única forma de compensar la no linealidad de la respuesta de un intercambiador a los cambios de caudal, la relación potencia-caudal que se muestra en la figura 5. La ventaja adicional de esta curva isoporcentual es la mejor resolución del control a bajos caudales. Obsérvese que para controlar el caudal entre 0% y el 20% del caudal nominal de proyecto, la válvula operará entre 0% y el 50% de apertura (ver figura 18), lo que representa 2.5 veces mayor apertura que una válvula de curva lineal.

Pasemos a analizar el segundo criterio importante, dado que el punto de inflexión en la curva característica de una válvula está relacionado con el caudal mínimo controlable a través de ella. Si ampliásemos el gráfico en la zona del punto de inflexión, se ve que las curvas real y teórica se desvían. La tolerancia de desviación está normalizada en la industria para destacar la calidad de la controlabilidad de cada válvula.

La forma más práctica de mostrar la capacidad de control a bajos caudales es definir el Factor de Rango, que es el cociente entre el Kvs, el valor nominal del factor de flujo de la válvula y el Kv correspondiente al punto en el que se materializa la desviación entre ambas curvas, el llamado Kvr. Como ejemplo el valor de 25 del factor de rango representaría que el mínimo caudal controlable es de solamente 100/25 = 4% del caudal nominal.

Aunque esto pueda parecer adecuado, hay que analizar la relación entre este caudal y la potencia mínima controlable en todas las válvulas de la instalación. La interactividad entre ellas, al tratarse de sistemas de caudal variable, va a tener un peso considerable en la controlabilidad de toda la instalación. La independencia en la operación frente a la interactividad se cuantifica con la autoridad de la válvula de control.

Como es sabido, la autoridad de una válvula de control es el cociente entre el valor de la pérdida de presión diferencial a través de la misma cuando la atraviesa el caudal nominal, y la presión diferencial a la que está sometida en el sistema, al cerrar o abrir el resto de válvulas de control. La autoridad depende por tanto de la correcta selección de la válvula (en función de su Kvs) pero también de la demanda de potencia en la instalación.

La gráfica de la figura 18 muestra la influencia de la autoridad y de valores crecientes del factor de rango, por ejemplo 25, 50, …etc, en la mejora de potencia mínima controlable de la instalación.

Fig 19. Potencia mínima controlable en función del Factor de Rango y la autoridad de la válvula.

Mantener la autoridad en cualquier situación en valores por encima de 0,5 (límite la unidad), se consigue con válvulas de equilibrado y control independientes de la presión. Con válvulas convencionales, incluso con elevadas pérdidas de carga en condición nominal, el incremento de presión diferencial a demanda carga parcial de instalación llevaría a situaciones en que la potencia mínima controlable es inaceptable (parte izquierda del gráfico).

No obstante, hay que considerar también la influencia del factor de rango. La curva azul de la figura 18 muestra que para una autoridad de 0,6 y un factor de rango 25, la instalación no se puede controlar por debajo del 20%, algo que se da al menos un 30% del tiempo de operación total. Pese a la inversión en un sistema de control “modulante” sofisticado, un bajo factor de rango lo convierte en un cuasi-todo-nada, degradando el confort, con mayor gasto de energía.

Por tanto, en la elección de una válvula de control independiente de la presión ha de tenerse en cuenta tanto su curva intrínseca isoporcentual, como que posea al menos un factor de rango 100 (se expresa 100:1), para poder controlar en toda condición cualquier tipo de intercambiador-batería de refrigeración o los bajos caudales de calefacción necesarios en nuestro muy cambiante clima.

Las instalaciones de climatización deben evolucionar para adaptarse a nuevas Normativas y la necesidad de menor huella energética, lo que obliga a gestionar correctamente caudales de fluido cada vez más bajos, pero sin comprometer la vida útil de bombas, calderas o enfriadoras, dentro de límites de caudal seguros.

En comparación con el coste energético o el desgaste prematuro de esos equipos, la inversión necesaria para controlar correctamente los caudales mínimos es relativamente modesta. Las propuestas contienen elementos de equilibrado y control simples y fiables.

La correcta presurización, una medida también de bajo coste, proporciona si cabe mayores beneficios, al erradicar la formación de sedimentos de corrosión.

El diseñador de la instalación debe prestar especial atención a las características de las válvulas de control que se utilizarán. La curva característica isoporcentual, la buena autoridad y elevado factor de rango, son los criterios que respaldarán el control efectivo de la potencia de los intercambiadores en cualquier condición de operación de las instalaciones HVAC.