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Apr 24, 2024

Examinando los efectos de la inversión de flujo en circuladores.

Los conceptos de diseño únicos a veces requieren que los componentes funcionen en condiciones no estándar. Un ejemplo sería el uso de válvulas de equilibrio para regular el flujo a través de múltiples bancos de colectores solares en un

Los conceptos de diseño únicos a veces requieren que los componentes funcionen en condiciones no estándar.

Un ejemplo sería el uso de válvulas de equilibrio para regular el flujo a través de múltiples bancos de colectores solares en un gran sistema solar térmico de drenaje. En un sistema solar térmico más típico que funcione con anticongelante, el uso de válvulas de equilibrio sería rutinario. Pero en un sistema de drenaje no hay anticongelante; el agua drena del conjunto de colectores y de las tuberías exteriores cada vez que se apaga el circulador del colector.

Si se instalan válvulas de equilibrio en esta parte del sistema, estarán sujetas a miles de ciclos de congelación/descongelación durante la vida útil del sistema. Cualquier agua residual dentro de la válvula seguramente se congelará. ¿Esto causaría algún daño a largo plazo a esa válvula? Los diseñadores necesitan respuestas a estas preguntas antes de especificar productos. Los fabricantes pueden tener o no esas respuestas.

Hay conceptos de diseño hidrónico en los que el flujo debe retroceder a través de un circulador que no funciona, quizás miles de veces durante la vida útil del sistema. Un ejemplo es la inversión periódica del flujo a través de un circuito con varias cargas secundarias conectadas en serie, como se muestra en la Figura 1.

Este sistema se basa en un tipo específico de accesorio donde los circuitos secundarios, incluido el circuito de la caldera, se conectan al circuito primario. Uno de esos accesorios, el "Twin-Tee", es fabricado por Taco Inc. La Figura 2 muestra un ejemplo de este accesorio.

Otra posibilidad sería fabricar un accesorio soldando una placa deflectora en un accesorio transversal como se ilustra en la Figura 3.

El flujo primario puede ingresar al recorrido de estos accesorios desde cualquier dirección. Sin embargo, la dirección del flujo a través del circuito secundario no cambiará. El deflector interno evita la mezcla directa entre los lados de suministro y retorno del circuito secundario. Los puertos de suministro y retorno para el circuito secundario también están ubicados en la misma ubicación de presión a lo largo del circuito primario, lo que proporciona una excelente separación hidráulica.

La inversión periódica del flujo a través del circuito primario proporcionaría, con el tiempo, la misma temperatura promedio del agua de suministro a cada circuito secundario. Esto corrige el inconveniente inherente de disminuir la temperatura del agua de suministro en circuitos donde se conectan múltiples cargas en serie. Cuanto mayor sea la caída de temperatura de diseño a lo largo del circuito primario, con todos los circuitos en funcionamiento, mayor será el beneficio de la inversión periódica del flujo.

La lógica operativa del sistema que se muestra en la Figura 1 es simple: un circulador de circuito primario funciona durante un tiempo determinado; luego se apaga y el otro circulador primario funciona durante el mismo tiempo transcurrido. Se podría utilizar un controlador de circulador dúplex para realizar un seguimiento de las horas de funcionamiento de cada circulador de circuito primario y ecualizarlas con el tiempo. El flujo del circuito primario siempre pasaría hacia atrás a través del circulador que está apagado.

Otra aplicación en la que la inversión de flujo es útil es cuando se utiliza un intercambiador de calor de serpentín dentro de un tanque de almacenamiento térmico tanto para la entrada como para la extracción de calor. Sería necesaria la inversión del flujo para preservar la estratificación de temperatura dentro del tanque y maximizar la diferencia de temperatura promedio a la que opera el intercambiador de calor. La Figura 4 muestra una posible configuración de tuberías.

El conjunto de tubería superior en la Figura 4 muestra cómo se agrega calor al almacenamiento térmico. El circulador de carga podría estar encendido o apagado. Si está activado, extrae agua caliente procedente de la fuente de calor en el punto A. Cualquier flujo que no llegue a la carga pasa a través del separador hidráulico y hacia abajo a través de los intercambiadores de calor del serpentín.

Las T donde el circuito de carga se conecta al sistema (por ejemplo, los puntos A y B en la Figura 4) deben mantenerse lo más cerca posible del separador hidráulico. Para evitar la mezcla dentro del separador hidráulico, el caudal de la fuente de calor siempre debe ser igual o mayor que el caudal creado por el circulador de carga.

El conjunto de tubería inferior en la Figura 4 muestra el calor que se extrae del almacenamiento térmico y se envía a la carga. El flujo ahora pasa desde la parte inferior de los serpentines hacia la parte superior, optimizando el diferencial de temperatura entre los serpentines. Si la fuente de calor se enciende, el flujo se invertiría.

La Figura 4 también muestra dos válvulas operadas eléctricamente en paralelo con los circuladores de serpentín. Podrían ser válvulas de zona o válvulas de bola motorizadas. Cuando uno de estos está encendido, canaliza parte del flujo de las bobinas alrededor del circulador adyacente que está apagado. Esto reduce el flujo inverso a través de ese circulador. Estas válvulas deben tener valores Cv altos para minimizar la caída de presión.

Las configuraciones de tuberías que se muestran son soluciones racionales para lograr el flujo inverso, pero aún quedan varias preguntas que necesitan respuesta. Por ejemplo: ¿Es siquiera necesario tener las dos válvulas motorizadas que se muestran en la Figura 4? Si se eliminaran, todo el flujo de las bobinas pasaría hacia atrás a través del circulador que está apagado. Eliminar estas válvulas sería obviamente más simple y menos costoso, pero ¿crearía algún problema el enrutamiento de todo el flujo del serpentín hacia atrás a través del circulador? Otra posibilidad sería instalar válvulas de retención en ambos circuladores para evitar cualquier flujo inverso y hacer que todo el flujo pase a través de las válvulas motorizadas. ¿Cuál de estos enfoques es mejor?

Para ayudar a responder estas preguntas, necesitamos saber más sobre el flujo inverso a través de los circuladores. Aquí hay un par de preguntas más al respecto: ¿Cuál es la pérdida de carga versus el caudal cuando el flujo retrocede a través de un circulador específico? ¿Podría desarrollarse alguna condición que sería perjudicial para un circulador cuando el flujo pasa hacia atrás a través de él? Por ejemplo, ¿existe alguna posibilidad de que un impulsor que está pegado al eje del motor pueda desenroscarse si se somete a un flujo inverso durante un tiempo prolongado? Otra pregunta: ¿Podría el flujo inverso a través de un circulador con un motor conmutado electrónicamente (ECM) hacer que el impulsor gire hacia atrás y, por lo tanto, haga girar el rotor magnético permanente dentro de los polos del estator, induciendo un efecto de generación eléctrica?

Estas preguntas podrían responderse instalando un circulador en un banco de pruebas y forzando el flujo a través de él en sentido inverso a diferentes caudales. Se podrían capturar y representar gráficamente datos de flujo versus pérdida de carga. La curva resultante podría usarse entonces para evaluar la característica de pérdida de carga parásita del circulador. Esto ayudaría a responder preguntas como: ¿Las válvulas motorizadas que se muestran en la Figura 4 son esenciales o simplemente una pérdida de dinero y material?

Durante dicha prueba también se podría evaluar cualquier posible retroalimentación eléctrica.

Permítanme cerrar la columna pidiendo cortésmente a cualquier fabricante de circuladores que lea esto que considere realizar pruebas de flujo inverso en algunos de sus circuladores y que haga recomendaciones específicas basadas en los resultados de esas pruebas.

Tener este soporte ayudaría a perfeccionar los diseños de conjuntos hidrónicos, como los que hemos analizado. Agradecería un mayor debate sobre el tema.

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