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SE T EMBRO 2006 • NÚME RO 0 3
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Economia de energia:
vazão variável no primário
Introdução
Uma central de água gelada com resfriadores de líquido é responsável pelo
fornecimento de água gelada para as unidades climatizadoras de ar presentes em
cada ambiente a ser condicionado. Cada ambiente condicionado possuirá, de
acordo com sua área, um ou mais sensores de temperatura que transmitem um
sinal elétrico para o atuador da válvula de controle de duas ou três vias (conforme
o tipo de configuração de circuito hidráulico escolhido), que é instalada na tubulação
de retorno da unidade climatizadora de ar.
De acordo com a carga térmica requerida em um determinado período, a unidade
climatizadora de ar precisará de quantidade variável de água gelada para “combater”
a carga térmica. O controle de fluxo de água gelada que circula pela serpentina e
conseqüente modulação da carga térmica é efetuada pela válvula de duas ou três
vias.
Com todos os climatizadores operando desta forma, concluí-se que a vazão de
água gelada será proporcional à modulação da carga térmica, porém em épocas
passadas manter constante a vazão do fluido a ser resfriado nos evaporadores
era uma exigência estabelecida pelos fabricantes de unidades resfriadores de
líquidos, para preservação da garantia de desempenho e de segurança operacional
dos equipamentos.
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• Sistemas de água gelada
• Circuito primário e secundário de água gelada .
• Sistemas de distribuição de água gelada.
- Constante.
- Variável no primário-secundário.
- Variável no primário.
• Vazão variável no primário – projeto e operação.
• Considerações de projeto do resfriador de líquido.
• Vantagens do sistema de vazão variável no primário.
Sistemas de Água Gelada
Em condições conceituais mais simples, um sistema de água gelada para conforto
ou processo é constituído de três subsistemas: produção, distribuição e uso. Cargas
térmicas no subsistema de uso são encontradas pela capacidade de resfriamento
criadas no subsistema produção e entregue ao subsistema distribuição.
Durante várias décadas, vazão constante no circuito primário e vazão variável no
circuito secundário têm sido consideradas o projeto “standard” para sistemas de
água gelada de qualquer porte.
O paradigma foi quebrado, na última década, com o avanço tecnológico dos
resfriadores de líquido e com o advento dos variadores de freqüência. Desta
maneira a utilização do sistema primário-secundário como o tipo de sistema
preferido e indicado para qualquer projeto tem sido desafiado de várias maneiras.
Uma das quais, em teoria, a vazão variável no primário resulta em uma redução
de energia de distribuição da água. Segundo é que o custo inicial de um sistema
primário de vazão variável é mais baixo do que um sistema primário-secundário.
Em terceiro é que sistemas primário-secundários estão coletivamente sujeitos a
um complexo de problemas operacionais chamados de “Síndrome de baixo delta
T”. E em quarto, e talvez a mais importante, são os já mencionados avanços dos
controles dos resfriadores de líquido que agora permitem variar a vazão no
evaporador rapidamente com segurança e um preciso controle. Os fabricantes
com uma história de favorecer somente a utilização de sistemas primáriosecundário, estão através deste avanço de controles em seus equipamentos,
crescentemente apoiando a aplicação de vazão variável no primário. As bombas
de velocidade variável, antes utilizadas apenas no circuito secundários, agora têm
vez também nos circuitos primários.
Neste boletim revisaremos algumas características dos sistemas primáriosecundário e de vazão variável no primário. A intenção é auxiliar o proprietário, o
projetista, e o engenheiro de aplicação a entenderem melhor um destes dois tipos
de sistema. As áreas a serem revisadas neste boletim são:
Na maioria dos sistemas, a água gelada é produzida por resfriadores de líquidos
é utilizada nas serpentinas dos climatizadores com controle do lado água feita por
válvulas de duas ou três vias. O sistema de distribuição é uma rede de tubulações
através das quais tipicamente a água gelada ou água com solução anti-congelante
é distribuída/transportada por um ou mais níveis de bombeamento.
Os objetivos principais da seleção do sistema de distribuição da água gelada são
de prover a requerida capacidade de resfriamento para cada carga térmica,
promover o uso eficiente da capacidade de refrigeração na central de água gelada,
e minimizar consumo de energia de elétrica de distribuição.
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Circuito Primário de Água Gelada
O circuito primário de água gelada geralmente encontra-se nos limites da central
de água gelada, tendo como característica uma vazão constante para cada unidade
resfriadora de líquido e a presença de uma bomba de água gelada denominada
primária, intertravada eletricamente com cada unidade, assegurando assim não
somente a vazão constante requerida, mas também a operacionalidade do sistema,
uma vez que a quantidade de unidades em funcionamento varia de acordo com
a carga térmica existente. Este sistema é comumente utilizado em instalações de
pequeno porte.
Circuito Secundário de Água Gelada
O circuito secundário de água gelada geralmente encontra-se nos limites da carga
térmica (climatizadores). Para cálculo da vazão máxima do circuito secundário é
considerada a carga térmica máxima simultânea sem diversificação. O circuito
possui uma bomba de água gelada denominada secundária, capaz de atender a
essas condições, operando com um variador de freqüência, responsável pelo
controle de vazão da mesma. Na medida em que a carga térmica requerida pelo
ambiente varia, ocorre, por parte da válvula de duas vias, a regulagem da vazão
de água gelada na unidade climatizadora de ar (o atuador envia um sinal para que
a válvula abra ou feche), fazendo com que a pressão da tubulação do sistema
aumente ou diminua. Um sensor de pressão localizado na descarga da bomba de
água gelada secundária verifica a pressão do sistema, fazendo com que o variador
de freqüência altere a rotação da bomba, regulando a vazão no circuito secundário
de água gelada.
Para questões de segurança e manutenção, cada circuito (primário e secundário)
usualmente tem uma bomba de reserva com as mesmas características das demais.
Um fato a ser ressaltado é o funcionamento em conjunto desses dois circuitos,
que possuirá uma tubulação de “by-pass” interligando a sucção das bombas
primárias à sucção das bombas secundárias. Como o circuito de água gelada
primário exige vazão constante e o circuito secundário varia a sua vazão, esta
tubulação de “by-pass” funcionará como meio de equilíbrio no sistema. A figura
abaixo ilustra os circuitos primário e secundário.
Esse tipo de sistema apresenta problemas em instalações de múltiplos resfriadores
de líquidos durante a operação em regime de carga parcial. Nesses momentos,
um ou mais resfriadores de líquidos podem ser desligados em função da menor
demanda térmica. Dois procedimentos operacionais podem ser então adotados,
mas ambos resultam em problemas operacionais para a instalação:
1) Desligamento da bomba de água gelada associada ao resfriador de líquido
desligado e fechamento dos respectivos registros.
a) neste caso há deficiência de vazão de água distribuída para os climatizadores
de ar uma vez que a vazão constante requerida por cada climatizador foi reduzida
com o desligamento da bomba.
2) Manutenção da bomba de água gelada ligada com passagem da água pelo
resfriador de líquido desligado.
b) neste caso a água não é resfriada ao passar pelo resfriador de líquido
desligado e se mistura à água resfriada que passa pelo(s) outro(s) resfriador(es)
de líquido(s) em operação, elevando assim a temperatura de alimentação de
água gelada para todos os climatizadores de ar.
O resultado desse tipo de deficiência é o prejuízo do desempenho térmico dos
climatizadores de ar resultando em problemas de temperatura interna do ambiente
e/ou consumo excessivo de energia do sistema.
Características do sistema de
água gelada com vazão constante
Aplicações
• Comum em sistemas instalados até meados da década de 80.
• Concepção mais simples com menor número de equipamentos e dispositivos
de controle.
• Menor custo de instalação.
• Recomendado ainda hoje para instalações de pequeno porte ou com apenas
um resfriador de líquido.
Vazão de Água Constante
Os sistemas de água gelada projetados até os meados da década de 80 possuíam,
em sua maioria, sistema de distribuição de água gelada de vazão constante
utilizando válvulas de controle de três vias para controle da capacidade dos
climatizadores de ar. O fluxograma a seguir ilustra esse tipo de configuração.
Limitações
• Problemas operacionais em instalações de grande porte, principalmente em
períodos de carga parcial (sequenciamento de resfriador de líquidos).
• Maior dificuldade de balanceamento das vazões do sistema
(carga de pico x carga de bloco).
• Maior consumo de energia nas bombas que operam com vazão constante.
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Vazão de água variável com
circuito primário-secundário
A operação eficiente do sistema de água gelada em carga parcial vem sendo
alcançada com sucesso com a adoção de sistema de vazão de água variável.
Nesse tipo de sistema, as válvulas de controle são de duas vias e o “by-pass” de
água para o controle de capacidade é único, efetuado na central de água gelada.
Portanto, a vazão de água gelada circulante em todo o prédio varia com a carga
térmica, possibilitando ainda a redução da potência consumida nas bombas com
a aplicação de variadores de freqüência. O fluxograma a seguir ilustra esse tipo
de configuração.
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certos limites indicados pelo fabricante do equipamento. Essa característica de
operação sempre foi restringida pelos próprios fabricantes para proteção do
resfriador de líquido, mas atualmente vem sendo incentivada na busca de uma
melhor performance do sistema. O fluxograma a seguir ilustra esse tipo de
configuração.
Com o fechamento das válvulas de controle de duas vias, as bombas de água
gelada reduzem a rotação, reduzindo também a vazão de água gelada que circula
nos resfriadores de líquidos. Para garantir a vazão mínima no evaporador
recomendada pelo fabricante do resfriador de líquido, uma tubulação de “by-pass”
é utilizada com uma válvula que se abre quando o valor limite é alcançado.
Com atuação de válvulas de duas vias nos períodos de carga térmica parcial, a
água gelada que deixa de passar em um climatizador é disponibilizada para os
demais, de modo que quando essa redução de carga corresponde a capacidade
de um resfriador de líquido, o mesmo pode ser desligado sem qualquer prejuízo
para o sistema.
Características do sistema de
água gelada com circuito primário-secundário
Aplicações
• Utilizado com mais intensidade a partir do fim da década de 80.
• Permite o sequenciamento de resfriador de líquidos sem prejuízo na distribuição
de água gelada para os climatizadores.
• Excelente em aplicações com múltiplos ramais secundários com características
distintas de operação ou encaminhamento hidráulico.
• Proporciona menor consumo de energia de bombeamento.
• Sistema robusto de alta confiabilidade.
• Maior facilidade para balanceamento do sistema.
Características do sistema de água
gelada com vazão variável no resfriador de líquido
Aplicações
• Configuração de última geração associada à melhor eficiência de controle
eletrônico digital dos resfriador de líquidos.
• Proporciona menor consumo de energia de bombeamento.
• Não necessita de grandes intervenções hidráulicas e acréscimo de
equipamentos em retrofit de instalação com vazão constante.
Limitações
• Maior dependência de controle leva a uma operação mais sensível, o que
requer um bom processo de comissionamento da automação.
• Necessidade de substituição das válvulas de controle de três vias por de
duas vias.
Vazão variável no primário - projeto e operação
Limitações
• Necessidade de intervenções hidráulicas e acréscimo de área para instalação
de bombas secundárias, no caso de retrofit de instalações existentes.
• As válvulas de controle de duas vias devem estar operantes e o sistema
balanceado para uma operação otimizada.
Vazão de água variável no primário
Trata-se de uma configuração de última geração proporcionada pelos sistemas de
controle digitais mais eficientes atuando tanto no resfriador de líquido como no
circuito de água gelada.
Os controles digitais utilizados nos resfriador de líquidos atuais proporcionam
condições para uma variação da vazão de água gelada no evaporador dentro de
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• Necessário um ótimo balanceamento e um controle preciso da vazão de
água gelada.
• Necessitam de um dimensionamento detalhado e cuidadoso dos vários
componentes do sistema. Especial atenção nas seleções das válvulas de controle
de duas vias e a da linha de “by pass”.
• Necessário um maior tempo para atividades de comissionamento e partida do
equipamento.
• A configuração da conexão hidráulica poderá ser com bomba dedicada a cada
resfriador, ou por coletores com válvula de bloqueio automática em cada ramal, na
hipótese de unidades conectadas em paralelo, tanto resfriadores, quanto bombas.
• A conexão em coletor é atrativa quanto ao aspecto de custo operacional, pois
permitirá operar, em situações de carga parciais, menor número de bombas
(por exemplo duas bombas alimentando três resfriadores), o que resultará em
economia de energia.
• Por outro lado, em instalações projetadas para alto delta de temperatura, mas onde
ocorra queda do valor em situações operacionais reais a cargas reduzidas (imprecisão
dos controles terminais provocadas por baixa autoridade das válvulas de duas vias),
duas bombas poderão operar para um único resfriador, maximizando o uso do
mesmo e minimizando o efeito da síndrome do baixo delta T.
• Melhor aplicação para resfriadores de líquidos de mesmo tamanho ou perdas
de pressão próximas.
• O funcionamento da central de água gelada depende da estreita colaboração
entre o projetista, o fabricante do resfriador e o fornecedor de controles.
• Elaboração das seqüências de controle para operação a plena carga e carga
parcial, gerenciamento da taxa mínima e máxima de fluxo transiente, partida e
parada de resfriadores.
• Selecione resfriadores em que a mínima vazão de água do evaporador seja
60% da vazão de água do sistema. Para múltiplos resfriador de líquidos esta
vazão mínima deverá ser 40% da vazão de água do sistema.
• Selecione resfriadores que permitam maior tolerância a grandes variações de
fluxo; 10% por minuto, para resfriador de líquidos com compressores scroll,
e 30% por minuto para resfriador de líquidos com compressores parafuso e
centrífugos.
• Selecione uma válvula de controle de alta qualidade com características de
fluxo linear.
• Considere um arranjo em série para pequenas aplicações com vazão variável
no primário para evitar fluxos transientes.
• Avalie a viabilidade econômica do fluxo primário variável para central de água
gelada com um único resfriador.
• Os limites para evaporadores DX são normalmente expressos em gpm /TR ou
se referem ao mínimo ou máximo publicado na literatura do fabricante. Valores
mínimos típicos são ao redor 1-1.5 gpm/TR, e valores máximos ao redor 3-4
gpm/TR.
Projeto de vazão variável no primário com o
resfriador com condensação a ar Latitude - YCAV
Limites de Vazão no Evaporador
O resfriador de líquido YCAV utiliza evaporador do tipo DX cujos valores mínimos
são menores que 1 gpm/TR (0,2 m3/h/TR) e máximos ao redor 3-4 gpm/TR (1
m3/h / TR). Veja tabelas a seguir.
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Vantagens o sistema de vazão variável no primário
• Sistemas de vazão variável no primário economizam de 3 a 8 % de energia de
central de água gelada total em comparação a sistemas primário-secundário
dependendo do número de Resfriadores na central de água gelada, do diferencial
de temperatura, das características do sistema, e das características das bombas.
• Sistemas de vazão variável no primário eliminam as bombas primárias, pequenas
e ineficientes usadas em sistemas primário-secundário. As quedas de pressão
atendidas pelas bombas primárias são agora atendidas pelas bombas de
distribuição, permitindo a seleção de bombas maiores e mais eficientes.
• Menor custo inicial devido à eliminação de um conjunto de bombas (bombas
primárias com vazão constante), conexões e tubulações hidráulicas.
• Utilizam uma menor área de piso que os sistemas primário-secundário.
• Maior eficiência no desempenho em carga parcial.
• Diminuição da oscilação elétrica na partida e adequação melhor a instalação.
• Redução do custo operacional por evitar recirculação de fluido em operação a
cargas parciais (depende da eficiência e queda de pressão das bombas).
• Um projeto de variação de vazão no primário elimina as bombas de cabeçote
baixo, pequenas e ineficientes que são usadas em sistemas primário-secundário.
As quedas de pressão anteriormente atendidas pelas bombas primárias são
agora atendidas pelas bombas de distribuição, permitindo a seleção de bombas
maiores e mais eficientes.
• Excelente aplicação para projetos que tenham grande variação de carga térmica
no transcorrer do dia e sistemas com termo acumulação de água gelada.
Bibliografia
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Revista Climatização & Refrigeração – Agosto 2005 – Sistemas de Volume
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