jueves, 20 de septiembre de 2012

Construcción de un compensador hidráulico

Un compensador hidráulico o una botella de desacoplamiento hidráulico nos evita problemas en el funcionamiento cuando existen varios circuladores trabajando en serie (linea) en el mismo circuito.


Cuando dos circuladores están instalados en serie, teóricamente la presión diferencial del circuito aumenta y el caudal permanece constante. Similar a lo que ocurre cuando disponemos las pilas (baterías) en serie, donde la tensión aumenta (se suma el voltaje) y la intensidad es constante.


Y viceversa, cuando dos circuladores están instalados en paralelo aumentarán el caudal manteniendo la diferencia de presión del circuito. El simil eléctrico es cuando disponemos las pilas en paralelo, la tensión permanece constante, y la intensidad de corriente aumenta (se suman las intensidades).


En condiciones normales no se dispondrán 2 circuladores en serie o en paralelo para conseguir una mayor diferencia de presión o caudal, pues se seleccionará un circulador con una curva superior para conseguir ese mayor caudal o presión.

Pero puede ocurrir que la instalación esté compuesta por varias calderas y estas alimenten a distintos circuitos. Así existirán varios circuitos primarios y secundarios, con sus respectivos circuladores dispuestos en serie.

Circuladores situadas en linea (cuidado)

Montaje separado de los circuitos primario y secundario

Detalle de la unión de los colectores de impulsión y aspiración
O bien, se ha seleccionado una caldera mural que lleva instalada un circulador cuya curva de trabajo no sea adecuada a las necesarias en la instalación, y por tanto, habrá que disponer de un circulador adicional con una curva de trabajo superior.

Circuladores en serie (cuidado)

¿Qué ocurre cuando se disponen 2 circuladores en serie con curvas de trabajo dispares?:

Como las curvas de trabajo (las características) son distintas por cada una de ellas podrá circular un determinado caudal y ofrecerá una presión diferencial distinta. Así el caudal que puede circular por el circulador "pequeño" (menor curva) estará limitado a las posibilidades establecidas por su diseño (su curva de trabajo), por tanto, este será el caudal que podrá circular por el circuito en que están montados ambos circuladores.


De este modo el circulador "grande" (que tiene una curva superior) estará trabajando a un caudal inferior al caudal establecido por el fabricante, por tanto, estará fuera de curva, y dado que es un circulador "potente" este intentará mover un caudal mayor creándose un vacio en su aspiración denominado cavitación. Dejándose de refrigerarse convenientemente, y al cabo de cierto tiempo terminará quemándose el motor por sobrecalentamiento, pues su punto de funcionamiento está fuera de su curva.

¿Cómo podemos conectar 2 circuladores en serie?:

Utilizando un separador hidráulico. Este consiste en un colector o botella donde se unen las impulsiones y retornos de los circuitos primario y secundario.

Sirve una desviación o by-pass entre ambos circuitos, primario y secundario de diámetro suficiente para satisfacer el caudal máximo (normalmente del mismo diámetro que el circuito primario).

En un separador hidráulico nos pueden ocurrir 3 situaciones:
  • El caudal del circuito primario sea igual que el del secundario.
  • El caudal del circuito primario sea mayor que el del circuito secundario.
  • El caudal del circuito secundario se mayor que el del circuito primario.
Analicemos las tres situaciones para ver alguna consideración respecto al funcionamiento de los generadores.

Caudal del circuito primario igual que el del secundario:

Como se observa en la imagen este diseño provoca un retorno frío hacia el generador. Tener un retorno frío será interesante en generadores de condensación pues a menor temperatura mayor rendimiento, pues las posibilidades de condensación aumentan.
Si los caudales son iguales podríamos pensar que no es interesante esta situación pues el caudal del circuito primario y secundario son iguales, pero cuando precisamos que los circuladores trabajen de un modo independiente será necesario disponer del separador hidráulico. En cualquier caso, es una situación que puede ocurrir en un momento dado y debemos saber el comportamiento del sistema.

Caudal del circuito primario superior al caudal del circuito secundario:

Esta situación provoca que parte del caudal del circuito primario derive por el separador hidráulico hacia el retorno del circuito primario, aumentando este de temperatura, con lo que el retorno al generador subirá de temperatura. Ello es interesante en generadores de tipo estandar donde a mayor temperatura de trabajo mayor rendimiento. Además está el tema de las condensaciones en los generadores en el caso de combustibles con componentes ácidos (gasoleo, combustibles sólidos, ...), pues si el retorno viene por debajo del punto de rocio del combustible se provocará condensaciones ácidas y el deterioro de la pared del generador que puede llegar a perforarse.

Caudal del circuito secundario superior al caudal del circuito primario:

Esta circustancia ocurre donde el circuito secundario trabaja con un salto térmico muy inferior al habitual, o cuando coincidan todos los circuitos secundarios trabajando al mismo tiempo.

Un caso típico es un generador (que dispone de circulador pues viene incorporado en el mismo) que alimenta a un circuito de suelo radiante. Los circuitos de suelo radiante trabajan a un salto termico entre 5-6 ºC, mientras que en un generador el fabricante coloca un circulador pensando en un circuito típico de radiadores que trabaja, normalmente, a un salto térmico de 20 ºC. Recordemos que:

Caudal (l/h) = Potencia (kcal/h) / salto térmico (ºC)

Así en un circuito secundario para suelo radiante los caudales llegan a ser cuatro veces superiores frente a un circuito que alimenta a emisores tipo radiador. Por tanto se precisa un caudal mucho mayor en el secundario que el primario.


Conexión circuladores con botella de equilibrio

Esta circustancia provocaría disminución de los niveles de temperatura el circuito secundario, al aspirar la impulsión del circuito secundario del retorno del mismo.

Si esta situación no queremos que altere la temperatura en la botella de equilibrio y, por tanto, en otros posibles circuitos secundarios se deberá disponer un circuito de inyección (by-pass) en el propio circuito secundario.


Dimensionado del compensador hidráulico:

En principio simplemente con un tubería diseñado para el circuito primario (o el caudal más desfavorable) sería suficiente. Pero cuando el diámetro (D) del separador es demasiado pequeño con respecto del diámetro de los circuitos primarios (d) se pueden provocar pérdidas de carga (presión) demasiado elevadas.


Además un dimensionado sufiente nos aporta dos grandes ventajas como son: la posibilidad de usar el separador como desgasificador y decantador de impurezas.

Desfangador

Para que se produzca la separación de las microburbujas que fluyen atrapadas en los circuitos, las cuales no pueden ser "atrapadas" por los purgadores, el flujo ha de reducir su velocidad.

Velocidad (m/s) = Caudal (m3/h) / Sección (m2)

Viendo la expresión anterior, basta un un simple aumento de sección (diámetro) de la tubería por donde fluye el agua para provocar una disminución de la velocidad del flujo y así la desgasificación del aire contenida en el flujo de agua.

Cuanto menor sea la velocidad mayor es la separación de aire.

Separador de aire (rompedor de burbujas)

Igual podemos decir de la decantación en la que si el flujo es lento, le dará tiempo a situarse en la parte inferior a las partículas de suciedad más pesadas que el agua.

Estos efectos de decantación y desgasificación se producen con facilidad para velocidades alrededor de 0,1 m/s.

Hemos indicado que el diámetro de la botella ha de ser tal que no se provoque una pérdida de carga excesiva.

Para que se garantice la separación hidráulica la pérdida de presión que se produce en el separador no debe ser superior al 10 % de la presión diferencial de los circuitos primario más secundario.

Tampoco puede ser demasiado ancho pues existe el riesgo de una doble circulación no pasando el flujo del circuito primario al secundario, y, no llegando la energía del circuito primario al circuito secundario (unidades terminales).

Cálculo rápido de un separador hidráulico:

Para una velocidad del primario entre 0,8 y 1 m/s, habitual por otra parte, si triplicamos el diámetro de la tubería del circuito primario, conseguimos una velocidad de alrededor de 0,1 m/s en el separador. Por tanto:

D = 3 x d

donde D es el diámetro del separador hidráulico, y d es el diámetro de la tubería del circuito primario.

Posición de las conexiones:

Debemos disponer conexiones en su parte:

- Superior, para la purga de aire.
- Inferior, para la extracción de lodos. Se dejará un espacio entre la última conexión y esta toma inferior para que se vayan acumulando los lodos, y favorecer la sedimentación.

Las conexiones de los circuitos primario y secundario podrán estar enfrentadas si:

- la velocidad del líquido en los circuitos primario y secundario es inferior a 0,9 m/s, o,
- si existe un tabique separador o deflector del flujo.

Las conexiones de los circuitos primario y secundario deberán disponderse alternadas (no enfrentadas) si:

- la velocidad es superior a 0,9 m/s y no existe un tabique deflector.

De este modo se evitan turbulencias y riesgos de doble circulación.

Detalle de un tabique separador en una botella hidráulica
Cuando tenemos varios circuitos secundarios podemos utilizar el separador hidráulico como colector de reparto siempre que guardemos una disposición ordenada de las conexiones de primario y secundario.

Colector con separación hidráulica

Resumen de las ventajas de un separador o botella hidráulica:

  • Se evita el funcinamiento "fuera de curva" de los circuladores, y por tanto los motores funcionan correctamente.
  • Evitamos la pérdida motriz de los circuladores.
  • Todos los circuladores pueden funcionar independientemente. Por ejemplo, si los circuladores del circuito secundario no funcionan por no necesitar la instalación demanda de calor, el circuito primario tiene garantizado su flujo de calor.
  • Los generadores tienen asegurado su flujo de calor independiente de los circuitos de consumo. Circustancia exigida por la normativa.
  • Evitamos desequilibrios hidráulicos entre circuitos y calderas.
  • Se evitan corrientes parásitas que calientan las unidades terminales en momentos que no se desea demanda energética.
  • Decantación y elimanción de impurezas y fangos del circuito.
  • Facilita la rotura y eliminación de microburbujas de aire.
En grandes instalaciones podemos obtener una buena aproximación de la altura del colector y el diámetro del mismo en función de la potencia utilizando el siguiente gráfico:


6 comentarios:

  1. Hola, estupendo articulo sobre un tema poco tratado y muy importante. Podrias facilitarme el nombre de bibliografia donde profundizar mas? Solo tengo sobre esto un par de articulos de Caleffi. Soy ingeniero de una instaladora. Gracias.

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  2. Buenas tardes.
    Encontré esta información un poco dispersada y no en un texto único. Puede ver información de Caleffi (muy bien ilustrada), encontré otro poco en Adisa, y algunos fabricantes de grandes generadores de la zona noreuropea. Lo conseguí todo hice ese artículo, que veo que le agrada.
    No encontrará información con facilidad, a mi me costó y no se si la volvería a recopilar.

    Los fabricantes de generadores ofrecen compensadores hidráulicos para formar baterías de generadores (centrales térmicas modulares). Puede buscar por ahí.

    Suerte.

    Javier Ponce

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  3. https://temariosformativosprofesionales.files.wordpress.com/2012/12/construccion-y-disec3b1o-de-aguja-hidraulica-o-botella-hidraulica.pdf

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  4. Hola una consulta puedo fabricar uno en ppr si tengo una caldera con diametro surtidor y retorno de 25 o 3/4 las entradas del separador tienen que ser de esas medidas y la botella de un diametro 3 veces mas grande ???

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  5. Hola una consulta puedo fabricar uno en ppr si tengo una caldera con diametro surtidor y retorno de 25 o 3/4 las entradas del separador tienen que ser de esas medidas y la botella de un diametro 3 veces mas grande ???

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