Selección e instalación de válvulas para una operación eficiente

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Para llevar a cabo una elección adecuada del tipo de válvula que requiere un proyecto es necesario dominar un conjunto de conocimientos. A continuación, se revisarán algunos de ellos y el procedimiento de instalación

Felipe Guerra / Fotografías: cortesía de Danfoss

En todos los sistemas de aire acondicionado que utilicen agua helada para el enfriamiento de superficies (ventiloconvectores, manejadoras de aire, etcétera), o agua de condensador para enfriamiento de unidades paquete o water source heat pump es necesaria una válvula de balance para garantizar el flujo necesario indicado por el fabricante y, de este modo, lograr una operación eficiente.

La válvula más común para este fin es una de balance manual o circuit setter, como es más conocida en el mercado. Para asegurar que garantice el flujo de agua que requiere el equipo, se debe utilizar un medidor de presión diferencial; lo mejor será usar un medidor digital.

La selección se debe realizar de acuerdo con el diámetro de la tubería del equipo y es necesario tener información en relación con el caudal y caída de presión del mismo. Típicamente podemos encontrar esta información en el manual de dicho dispositivo.

Figura 1. Instalación de las válvulas

Primero es necesario instalar la válvula en el retorno de agua del serpentín y revisar que la flecha que se encuentra grabada en la válvula coincida con la dirección del flujo de agua (Figura 1).

Después, se debe ajustar la válvula para garantizar que pase el flujo de agua requerido por el fabricante. De manera teórica, se puede usar la Tabla 1 como ejemplo.

Tabla 1. Ajuste de la válvula para garantizar el flujo de agua

Como se observa, el equipo tiene una caída de presión de 13 kPa y requiere un caudal de 327 l/h y un diámetro de tubería de ½”. Para hacer el cálculo de la posición en la cual se debe ajustar es necesario utilizar la fórmula siguiente:

Dadas las unidades de caída de presión kPa y el caudal en l/h, es necesario convertir las unidades de la fórmula.

Tabla 2. Valores de ajuste kV

Por lo tanto, 1 kPa es igual a 0.01 bar; se multiplica el valor de caída de presión de 13 kPa por 0.01; el resultado es de 0.13 bar. Para el caudal del equipo se tiene que 1 l/h es igual a 0.001 m3/h; multiplicando el valor de 327 por 0.001, se obtiene que el valor es de 0.327 m3/h.

Después, se procede a calcular el valor de Kv:

Figura 2. Ajuste del maneral

En la tabla de la válvula de balance manual se ubica el valor de Kv acorde al tamaño de la misma. Se debe escoger el valor de ajuste que sea igual o superior inmediato (Tabla 2), el cual indica que hay que ajustar el maneral de la válvula en la posición 0,0; girándolo hasta visualizar el número en la ventanilla de éste (Figura 2).

Con el medidor de presión diferencial se verifica que realmente esté pasando el valor de caudal calculado y ajustado. La válvula cuenta con unos puertos de medición y etiquetas de color. De igual modo, el equipo de medición tiene unas mangueras, las agujas se insertan en cada puerto acorde al color indicado. También el medidor cuenta con colores que indican donde se debe conectar la manguera.

Medidor de presión diferencial

Una vez conectado el equipo se realiza el siguiente procedimiento:

1 Conectar el PFM100 a la válvula

  • Conecar las mangueras al equipo
  • Quitar aire de la manguera
  • Conectar el PFM100 a la válvula

2 Ajuste de punto Zero

  • Seleccionar Zeroing en el menú principal
  • Reiniciar el dispositivo

3 Introducir el valor Kv

  • Seleccionar el valor Kv en el menú principal
  • Presionar el botón OK para cambiar de dígito
  • Presionar el botón Menú para cambiar de número
  • Mantenga presionado el botón OK para salvar

4 Leer el flujo en la pantalla

  • En caso de que el flujo no sea el que se requiere en el equipo, es necesario girar el maneral de la válvula a otro valor de Kv y colocar el nuevo valor en el medidor de presión diferencial hasta tener el flujo deseado.

Con esto, se soluciona una de las variables en el equipo, que es garantizar el flujo que requiere para poder operar acorde con su diseño. Ahora, es necesario seleccionar una válvula de control para permitir el paso de agua de acuerdo con la señal del termostato y conseguir que se adapte a la carga térmica que se tenga en ese momento.

Se puede seleccionar por el diámetro de la tubería, pero hacerlo de esta manera puede ocasionar inestabilidad y, posiblemente, ruidos que causen molestia a las personas que se encuentren cerca de los equipos.

El primer dato para la correcta selección es saber si el sistema de bombeo de agua helada trabaja a velocidad variable o velocidad fija. Si el sistema de bombeo trabaja a velocidad fija se seleccionará una válvula de control de 3 vías, y si trabaja a velocidad variable (bombas con variador de frecuencia) será a 2 vías.

Se utilizarán los datos del equipo a instalar: flujo y caída de presión. Con estos datos se calcula el Cv de la válvula. Adicionalmente, se debe incluir en el cálculo la caída de presión que tiene la válvula de balance. Para esto se calcula la caída de presión con el valor de Kv y caudal.

Lo mejor sería contar con la caída de presión del sistema, en caso de no tenerla se emplean los datos calculados, y se procederá a sacar el Kv de la válvula de control.

Tabla 3. Válvulas de 2 y 3 vías VRB (rosca interna)

Con el dato de Kv, se busca en la tabla de las válvulas de control y seleccionamos la que tenga el mismo valor o mayor (Tabla 3).

Los sistemas de flujo constante son de alto consumo de energía eléctrica y los chillers tienden a trabajar con bajo ΔT. El bajo ΔT es cuando la temperatura de salida del agua helada y la temperatura de retorno no cumplen con la de diseño (puede ser de 6, 10, 12, etcétera), cuando esto ocurre se trabaja con baja eficiencia.

Para reducir el consumo de energía eléctrica se utilizan variadores de frecuencia en las bombas; así se adapta el flujo de agua que requiere el sistema con la demanda, que es cuando los equipos terminales requieren el paso de agua para controlar la temperatura de confort.

Luego, se seleccionan válvulas de 2 vías y las bombas ajustan su velocidad acorde con la presión diferencial que existe entre la tubería de suministro y la de retorno. Para tener el control más preciso es importante instalar el sensor de presión diferencial en el sistema donde la variación de presión sea la más representativa y pueda ajustarse la velocidad con mayor precisión.

Cuando se habla de un hotel, por ejemplo, es más sencillo colocar el sensor; en cambio, cuando se habla de un sistema core & shell (centros comerciales y edificios de oficinas, principalmente), en el que una empresa instala la planta de agua helada y otra los equipos de los interiores, la ubicación del sensor de presión diferencial complica la instalación, puesto que no se conoce dónde quedarán instaladas las unidades que tengan la caída de presión mayor.

La presión diferencial es la variable primordial para poder tener operando las válvulas de balance y de control de manera óptima, debido a que estos componentes dependen de la presión diferencial con la que se dimensionan y cuando están operando.

Cada vez que se cierra una válvula de control, la presión diferencial real aumenta y esto afecta directamente la cantidad de flujo de agua que está pasando a través de la válvula de balance, ocasionando que el flujo requerido en el equipo terminal aumente, pasando más rápido y evitando que se haga la transferencia de calor real. Esto se traducirá en un bajo ΔT en el equipo terminal. Debido a que a mayor flujo de agua la temperatura de confort se verá alterada, lo que desembocará que el termostato mande a abrir y cerrar constantemente la válvula de control, afectando considerablemente la vida útil del actuador.

Componentes internos del circuit setter

Uno de los métodos más sencillos para evitar el problema de los cambios de presión ocasionados por la apertura y cierre de válvulas es utilizar las válvulas de balance y control independientes de la presión (PICV). Típicamente, estos dispositivos cuentan con un limitador de caudal y un controlador de presión diferencial incorporado en el mismo cuerpo de la válvula.

Figura 3

El controlador de presión diferencial se monta sobre el cuerpo de la válvula; suele ser un diafragma que se mueve constantemente de acuerdo con los cambios de presión y se ajusta para garantizar siempre el flujo de diseño del equipo. Su dimensionamiento es muy sencillo, y debido a que la presión diferencial a través de la válvula se mantiene constante, ya no se necesitan cálculos complejos y sólo se precisa el valor de flujo del equipo para determinar qué tamaño de válvula es el más conveniente.

Controlador de presión diferencial

Para llevar el control de temperatura de confort sólo se requiere conocer si va a ser on/off o modulante, y el voltaje de alimentación utilizado en el equipo.

Un enorme beneficio es que, dado que el balanceo del sistema sólo se hace posicionando el limitador de caudal acorde con la tabla de flujo del fabricante, no se requiere de equipos para hacer una medición, verificar y ajustar constantemente. Esto permite acortar los tiempos de puesta en marcha y los costos generados por el mismo. En el caso de los proyectos LEED, donde normalmente se pide garantizar que esté pasando el flujo real, las válvulas cuentan con puertos de medición donde se registra la presión diferencial utilizando el equipo correspondiente. Si ya se cuenta con una tabla de valor de Kv acorde a la posición del limitador de caudal, sólo es necesario solicitar al fabricante la tabla correspondiente; además, es posible hacer un documento donde se indique la posición del equipo, el tipo de válvula, el ajuste y el valor de Kv. Estos elementos y una tabla de verificación permitirán eficientar los tiempos de entrega y comisionamiento. Las válvulas PICV brindan una gran ventaja al instalador, debido a que es más sencillo poder determinar la más adecuada, pues sólo se requiere instalar un componente y hacer el balanceo. Esto le permitirá reducir la complejidad y evitar quejas por equipos que no estén garantizando la temperatura de confort.
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Felipe Guerra
Ingeniero mecánico con especialidad en Ingeniería Industrial. Actualmente, se desempeña como ingeniero de desarrollo de negocio en el segmento de calefacción de Danfoss. Imparte en Americ el seminario en HVAC de Uso y Aplicación de VDF en Aire Acondicionado, así como el de Implementación de Uso Eficiente de Variadores en Bombeo y Válvulas de Balance y Control en HVAC.