introducere - users.utcluj.rousers.utcluj.ro/~bacotiu/notecurs_ch.pdf · formule pentru calculul...

Note de curs : Echilibrarea hidraulică în tehnica instalaŃiilor pentru construcŃii

1

Introducere

Obiectivul proiectării unei instalaŃii HVAC este de a obŃine un climat interior confortabil, de a

minimiza costurile şi problemele legate de exploatare. Teoretic, noile tehnologii de reglaj par să satisfacă majoritatea cerinŃelor şi să asigure posibilitatea creşterii confortului, economisind în acelaşi timp energie. În practică totuşi, chiar şi cele mai sofisticate regulatoare nu pot întotdeauna să-şi atingă performanŃele teoretice, deoarece nu sunt respectate condiŃiile care în mod normal asigură buna lor funcŃionare. ConsecinŃele asupra confortului şi costurilor nu sunt neglijabile !

Creşterea temperaturii medii într-o clădire cu un grad peste 20oC conduce la o majorare a costurilor încălzirii cu cel puŃin 8% (zona Europei centrale). În ceea ce priveşte răcirea, un grad sub 23oC creşte costurile răcirii cu aprox. 15% în Europa. După analiza sistematică a comportamentului instalaŃiilor HVAC, au fost observate următoarele probleme: • În unele încăperi nu se atinge temperatura dorită, în special după variaŃii importante ale sarcinii; • Când temperatura din camere poate fi obŃinută, aceasta oscilează continuu, în ciuda utilizării unor

controlere sofisticate la unităŃile terminale (oscilaŃiile apar în special la sarcini mici şi medii); • Deşi capacitatea evaluată a unităŃii de producere (sursă) poate fi suficientă, capacitatea proiectată

nu poate fi transmisă, în special în timpul pornirii instalaŃiei după setarea de week-end sau de noapte.

Motivele sunt legate adesea de greşeli în proiectarea sistemului hidraulic şi în principal datorită faptului că următoarele trei condiŃii fundamentale nu sunt îndeplinite: 1. La toate unităŃile terminale trebuie să fie disponibil debitul de proiect. 2. Presiunea diferenŃială la vanele de reglaj nu trebuie să varieze prea mult. 3. Debitele trebuie să fie compatibile la interfeŃele sistemului.

Pentru a efectua echilibrarea hidraulică sunt necesare trei lucruri: 1. echipamente de reglare şi măsurare a debitului; 2. instrument de măsură; 3. o procedură de echilibrare.

Ce este echilibrarea hidraulică TOTAL Ă ?

Conceptul de echilibrare "totală" defineşte câteva constrângeri suplimentare : implică faptul că echilibrarea hidraulică nu se limitează pur şi simplu la reŃeaua de distribuŃie, ci se aplică de asemenea unităŃilor de producere a căldurii/frigului, precum şi buclelor de automatizare, cu respectarea unor condiŃii de compatibilitate. Ca urmare: • Debitul necesar calculat trebuie să fie obŃinut şi menŃinut practic constant la nivelul tuturor

unităŃilor de producere (cazane, chillere etc.). • Echilibrarea reŃelei de distribuŃie la parametrii de proiect va asigura obŃinerea debitelor necesare

calculate la fiecare unitate terminală, indiferent de încărcarea totală a instalaŃiei. • Buclele de automatizare trebuie echilibrate pentru a opera în condiŃii optime şi a asigura

compatibilitatea debitelor la interfeŃele sistemului. În plus, principiul/tipul de automatizare folosit trebuie să fie compatibil cu proiectul de ansamblu al instalaŃiei.


2

Tabelul 1.1 : Simboluri ale mărimilor utilizate


3

Tabelul 1.2 : Alte notaŃii utilizate

Tabelul 1.3 : Ecarturi de temperatură folosite în diverse Ńări în domeniul încălzirii; coeficientul Φ


4

Tabelul 1.4.a : Simboluri convenŃionale folosite în scheme


5

Tabelul 1.4.b : Simboluri convenŃionale folosite în scheme (continuare)

Apa : agentul care transportă căldura


6

Tabelul 1.5 : ProprietăŃile amestecului apă-etilenglicol

Formule pentru calculul unor mărimi caracteristice amestecului apă-etilenglicol, valabile pentru domeniul de temperaturi cuprins între –30…80oC, dacă proporŃia masică “C” [%] este cuprinsă între 0 şi 60:

în care: γ - densitatea relativă a amestecului, t – temperatura [oC], iar ν - vîscozitatea cinematică [cst]

Pierderi de presiune liniare în conducte

Tabelul 1.6 : Graficul lui Nikuradse


7

Tabelul 1.7 : Mărimi şi unităŃi de măsură pentru presiune şi vâscozitate cinematică


8

Formula Moody pt. calculul lui λ (valabilă dacă Re>3500, deci curgere turbulentă):

Formulă explicită pt. calculul lui λ datorată lui Colebrook (curgere turbulentă):

Formulă pt. calculul lui λ în zona de tranziŃie (2300<Re<3500):

Formule noi pentru calculul direct al pantei hidraulice, în cazul curgerii turbulente:

Diametrul interior di se exprimă în mm, debitul q în l/h, rugozitatea absolută ε în mm, coeficientul de vâscozitate cinematică în cst, iar panta hidraulică ∆p rezultă în Pa/m. Aceeaşi formulă, dacă debitul q se exprimă în l/s.

Precizia calculelor depinde mult de determinarea corectă a diametrului interior al conductei şi de estimarea rugozităŃii. Se recomandă o rugozitate ε = 0.0015 pentru conductele din cupru, ε = 0.05 pentru conductele din oŃel, ε = 0.15 pentru conductele din oŃel zincat şi ε = 0.15...2 pentru conductele vechi (ruginite) din oŃel.

Formula implicită Colebrook-White pt. calculul lui λ (curgere turbulentă):

Formula Colebrook-White este formula "clasică" care stă la baza întocmirii majorităŃii nomogramelor pentru dimensionarea conductelor. Pe calculator, se rezolvă iterativ, prin metode numerice.


9

Tabelul 1.8 : Debite şi viteze minimale pentru Re=3500

Tabelul 1.9 : Viteze maxime ("normale") recomandate în FranŃa

Tabelul 1.9 a fost întocmit pentru temperatura apei de 20oC şi pentru o rugozitate absolută de 0.05mm. Problema vitezelor economice : mai sunt sau nu de actualitate ?

Tabelul 1.10 : Căderi de presiune reduse

Tabelul 1.10 a fost întocmit pentru ε = 0.05. Valorile corespunzătoare unui Re<3500 sunt îngroşate (bold).


10

Tabelul 1.11 : Căderi de presiune medii

Tabelul 1.11 a fost întocmit pentru ε = 0.05. Valorile corespunzătoare unui Re<3500 sunt îngroşate (bold).

Tabelul 1.12 : Căderi de presiune mari

Tabelul 1.12 a fost întocmit pentru ε = 0.05. Utilizarea nomogramei din figura 1.1 Exemplul 1 : Se consideră o conductă DN80 şi debitul apei de 25m3/h. Rezultă viteza V=1m/s şi ∆p=140 Pa/m. Exemplul 2 : Se consideră o conductă DN10 şi debitul apei de 0.1m3/h. Rezultă Re<3500, deci nomograma nu se mai poate folosi.


11

Figura 1.1 : Nomogramă pentru calcul hidraulic (curgere turbulentă, ε = 0.05mm,

pentru apă cu temperatura cuprinsă între 20 şi 70oC)


1

Alegerea diametrului economic (continuare) - minimizarea costurilor totale pe durata de viaŃă a instalaŃiei Costuri teoretice de pompare

Puterea consumată de pompă: MP

C 3600

819QHP

ηη ⋅⋅⋅⋅= ,

[W]

în care: H – înălŃimea de pompare [mH2O] Q – debitul pompat [kg/h] ηP – randamentul pompei (uzual 0.75) ηM – randamentul motorului (uzual 0.85)

Costurile teoretice de pompare: 1000

CtPC WC

P

⋅⋅=

unde : t – timpul de funcŃionare [h] CW – preŃul unui kWh de energie electrică consumată

Pierderi de presiune locale

Tabelul 2.1 : Câteva valori ale coeficientului ξ


2

Formule pt. pierderile locale de presiune, bazate pe Kv :

Efectul de termosifon )( tstrh9810p γγ −⋅⋅=∆

UnităŃi terminale

Figura 2.1 : Schimbul de căldură la unităŃile terminale în cazul încălzirii, respectiv răcirii

DiferenŃa medie logaritmică de temperatură:


3

Alimentarea unităŃilor terminale cu debit variabil

Figura 2.2 : Debit variabil

Figura 2.3 : Puterea emisă de un radiator în funcŃie de debit, pt. diferite ∆TC , dacă tsc=90oC


4

Alegerea optimă a căderii de temperatură

Figura 2.4 : Creşterea lui ∆TC atrage după sine scăderea debitului cu preŃul creşterii

suprafeŃei de schimb termic Alimentarea unităŃilor terminale cu debit constant

Figura 2.5 : Debit constant pe "secundar"


5

ComparaŃie între alimentarea cu debit variabil şi alimentarea cu debit constant

Figura 2.6 : Cele 2 tipuri de alimentări pentru un corp de încălzire, Φ=2/7

Pompe

Figura 2.7 : Caracteristica Q-H pentru o pompă centrifugă

Importan Ńa NPSH (Net Positive Suction Head)


6

Figura 2.8 : Legea lui Bernoulli pentru exprimarea NPSH

Pompe care deservesc mai multe surse

Figura 2.9 : O pompă deservind mai multe surse

Legarea în paralel a pompelor

Figura 2.10 : Cuplarea în paralel a 3 pompe identice

Automatizarea pompelor legate în paralel

Figura 2.11 : FuncŃionarea pompelor legate în paralel


7

Pompă de bypass pentru cazan

Figura 2.12 : Pompa de ocolire P1 este în paralel cu pompa P2 Legarea în paralel a pompelor diferite

Figura 2.13 : Caracteristica rezultantă pt. 2 pompe diferite legate în paralel Legarea în serie a pompelor

Figura 2.14 : Două pompe identice legate în serie Pompă Booster

Figura 2.15 : Un circuit prevăzut cu pompă booster


8

Pompe cu turaŃie variabilă

Figura 2.16 : Caracteristica pompei se schimbă prin modificarea turaŃiei motorului pompei


1

Control 4.1 GeneralităŃi

Orice instalaŃie modernă necesită bucle de reglare/automatizare. Vanele de reglare trebuie alese cu deosebită atenŃie în faza de proiectare, deoarece reprezintă elementele dinamice din circuitele hidraulice pe care le vor deservi. 4.2 PărŃile componente ale unei bucle de reglare

Figura 4.1 : Cele 6 elemente componente ale unei bucle de reglare

1. senzor 2. controler 3. motor 4. vană de reglare cu 2 sau 3 căi 5. unitate terminală 6. sistemul care trebuie reglat - PoziŃia buclelor de reglare în scheme - Cum exprimăm confortul? - Noul senzor TA detectează temperatura rezultantă 4.3 Tipuri de acŃiuni ale regulatoarelor - “Personalitatea” controlerului

Reglarea de tip ON-OFF

Thermostat differential = diferenŃa de temperatură termostatică = variaŃia de temperatură la nivelul camerei care produce trecerea regulatorului de la o stare la alta. Această mărime este de ordinul a 0,5K pentru un bun termostat de cameră.

Mărimea care trebuie controlată (temperatura) nu atinge starea de echilibru, ea oscilând continuu între un maxim şi un minim.

OscilaŃiile observate în temperatura camerei sunt mai mari decât diferenŃa de temperatură termostatică !

Viteza aerului (problemă majoră în climatizare)...


2

Reglarea de tip proporŃional (P)

Un controler proporŃional închide sau deschide o vană de reglare direct proporŃional cu

diferenŃa dintre valoarea mărimii controlate şi o valoare setată (stabilită iniŃial). Regulatorul va găsi o poziŃie de echilibru, în urma satisfacerii unui bilanŃ energetic.

Figura 4.2 : Principiul de funcŃionare al regulatorului proporŃional (analogie hidraulică)

Banda de proporŃionalitate (BP) = variaŃia mărimii controlate, care determină setarea

regulatorului între poziŃia complet închis şi complet deschis. PoziŃia de echilibru, care depinde de perturbarea Z, este situată în interiorul acestei benzi.

Precizia regulatorului proporŃional creşte dacă BP se reduce, cu preŃul pericolului obŃinerii unei funcŃionări instabile. Factori care influenŃează minimizarea lui BP: - constanta de timp a senzorului (-) - constanta de timp a camerei (+) - timpul mort dintre momentul deschiderii vanei de reglare şi momentul începerii modificării

temperaturii camerei (-) - caracteristica vanei de reglare şi condiŃiile în timpul funcŃionării ( + sau -) În general, dacă avem de-a face cu o funcŃionare satisfăcătoare, se poate obŃine o setare stabilă a temperaturii camerei cu o BP de 2...4 grade.

Dacă BP este prea îngustă, atunci temperatura camerei oscilează sinusoidal. Perioada oscilaŃiei se numeşte perioadă critică (Pc). Anticiparea variaŃiei temperaturii prin extrapolare liniară = controler proporŃional derivativ. Acesta elimină în mod artificial “întârzierile” şi poate reduce deci valoarea lui BP, cu condiŃia ca ipoteza de variaŃie liniară a lui ∆T în timp să fie adevărată !! Matematic, aceasta conduce la limitarea perioadei de anticipare la maximum 0,2 Pc.

Reglarea de tip proporŃional integral (PI) Atunci când este folosit un controler proporŃional, sunt imposibil de evitat variaŃiile permanente dependente de încărcare (fig. 4.3). AtenŃie la interpretarea figurii 4.3... De exemplu, în domeniul climatizării (răcire), pentru o încărcare de 75%, va corespunde o temperatură a camerei de aproximativ 25oC, în loc de 24oC, aşa cum fusese setat.


3

Figura 4.3 : VariaŃia temperaturii camerei în funcŃie de încărcare. BP s-a considerat 4oC

Rezolvarea pare facilă : să modificăm setarea la 23oC. Apoi la 22oC. Din păcate, nerăbdarea nu aduce nimic bun... doar variaŃii foarte mari de temperatură în cameră. Această corecŃie se poate face automat, prin intermediul unui al doilea controler care modifică lent valoarea setată pentru controlerul proporŃional, astfel încât variabila de control (temperatura) atinge valoarea corectă.

Figura 4.4 : Controlerul cu acŃiune integrală modifică setarea controlerului proporŃional


4

Reglarea de tip PI funcŃie de timp

În cazul micilor unităŃi terminale controlate doar de un termostat de cameră, se obişnuieşte

utilizarea unor vane de reglare de tip on-off, dar la care timpul de staŃionare pe o poziŃie este modulat pe durate de timp bine precizate.

De exemplu, într-o perioadă de 10 minute, la 30% încărcare, vana de reglare va fi deschisă 3 minute şi închisă 7 minute. Încărcarea este determinată de termostatul de cameră în funcŃie de diferenŃa detectată şi este controlată de un regulator de tip PI.

Dezavantaj : nu se poate aplica pentru stabilizarea temp. aerului introdus în încăpere prin inst. de climatizare.

Oricum, e mai precis decât un banal reglaj on-off.

Reglarea în cascadă Are rolul de a îmbunătăŃi considerabil performanŃa buclei de reglare.

Figura 4.5 : Utilizarea regulatoarelor în serie

În schema prezentată, termostatul plasat în cameră setează valoarea pentru cel de-al doilea

regulator care controlează aerul introdus în încăpere. Astfel, perturbaŃiile pe partea aerului sunt compensate direct de R2, fără a afecta temperatura camerei. 4.4 Vane de reglare cu 2 căi

Caracteristica vanei de reglare …în continuare am folosit fasciculele IMI : vol. 4 pag.11-13, respectiv vol. 1 pag.38-45


5


6


7


8


9


10


11


12


13


14


15


1

Cuvânt înainte

Echilibrarea hidraulică a unei instalaŃii presupune ca vanele de echilibrare să fie corect dimensionate şi plasate în sistem, iar instalaŃia să fie divizată pe module a căror interacŃiune poate fi compensată, module asupra cărora se pot derula proceduri de echilibrare independent de restul sistemului.

Metodele de echilibrare diferă între ele prin modalitatea în care se gestionează şi compensează interacŃiunile între diversele elemente ale instalaŃiei.

SUBIECTELE CURSULUI

1. GENERALITĂłI ....................................................................................................................2 1.1. Precizia de obŃinere a debitelor.........................................................................................2 1.2. Unde trebuie amplasate vanele de echilibrare ...................................................................3

1.2.1. Legea proporŃionalităŃii ............................................................................................3 1.2.2. Ce reprezintă echilibrarea optimă?............................................................................5 1.2.3. ÎmpărŃirea instalaŃiei pe module................................................................................6 1.2.4. Teorie şi practică ......................................................................................................6

1.3. Pregătiri pentru aplicarea metodelor de echilibrare ...........................................................8

2. METODA PRESETĂRII .......................................................................................................10

3. METODA ITERATIVĂ ........................................................................................................10

4. METODA PROPORłIONALĂ.............................................................................................11

4.1. Principiul metodei..........................................................................................................11 4.2. SelecŃia coloanei cu cel mai mare raport de debit ...........................................................11 4.3. SelecŃia ramurii cu cel mai mare raport de debit de pe coloană .......................................11 4.4. Echilibrarea unităŃilor terminale ale unei ramuri.............................................................12 4.5. Echilibrarea ramurilor unei coloane................................................................................13 4.6. Echilibrarea coloanelor de pe distribuŃia principală ........................................................14

5. METODA COMPENSATĂ...................................................................................................15 5.1. Vana de referinŃă şi vana partener ..................................................................................15 5.2. Setarea vanei de referinŃă ...............................................................................................16 5.3. Echilibrarea terminalelor unei ramuri .............................................................................17 5.4. Echilibrarea ramurilor unei coloane................................................................................17 5.5. Echilibrarea coloanelor de pe o distribuŃie......................................................................18 5.6. Setarea vanei de referinŃă când pierderile de sarcină diferă substanŃial între terminale ....19


2

1. GENERALIT ĂłI

1.1. Precizia de obŃinere a debitelor Înainte de a studia procedurile de echilibrare, trebuie definită precizia cu care se ajustează

debitele într-o instalaŃie. Această precizie pentru debite este practic determinată de precizia cu care se doreşte obŃinerea temperaturii de confort în încăperi (care la rândul ei depinde de alŃi factori cum ar fi reglajul temperaturii de alimentare sau raportul dintre capacitatea necesară şi cea instalată a corpului de încălzire).

Unele recomandări din literatura de specialitate menŃionează o precizie necesară a debitului de 0-5%.

Nu există nici o justificare tehnică pentru o astfel de restricŃie severă. Această prevedere pare surprinzătoare, mai ales că de obicei se acordă puŃină importanŃă temperaturii de alimentare a unităŃilor terminale îndepărtate.

În special în cazul distribuŃiilor cu debit variabil, temperatura apei de alimentare nu mai este aceeaşi la începutul şi la sfârşitul circuitului, iar influenŃa acestei temperaturi nu este neglijabilă. Mai mult, debitele se calculează de obicei în funcŃie de capacitatea necesară şi foarte rar în funcŃie de capacitatea instalată.

Supradimensionarea unei unităŃi terminale cu 25% ar trebui să fie în mod normal compensată cu o scădere a debitului cu 40%. Dacă acest lucru nu se realizează, nu are nici un rost să se ajusteze debitul cu o toleranŃă sub 5%, deoarece debitul necesar este deja stabilit cu o eroare de 40%!

Un debit insuficient nu poate fi compensat de bucla de reglaj, având în condiŃii de sarcină maximă un efect direct asupra confortului din încăperi. Deci fenomenul underflow trebuie limitat.

Un debit excedentar, teoretic nu are consecinŃe directe asupra confortului, el putând fi compensat de bucla de reglaj. Dar debitele în exces au efect dăunător atunci când vanele de reglare sunt complet deschise (de exemplu, la pornirea instalaŃiei), deoarece generează debite insuficiente în alte zone din instalaŃie, iar în final conduc la incompatibilitatea dintre debitul produs şi cel distribuit. Deci şi fenomenul overflow trebuie limitat.

În general, toleranŃa pentru debitele insuficiente/excedentare este un factor de genul ± x%. Evident, dacă debitul este apropiat de valoarea de proiect, el nu va avea un efect dramatic asupra temperaturii din cameră. Dacă se acceptă o abatere de ± 0.5oC pentru temperatura camerei la sarcină totală datorită debitului diferit de cel necesar, valoarea lui x se poate calcula aproximativ, cu formula:

)()(

)(

icecicrcsc

icsc

atttt

tt100x

−−⋅−−⋅±

= (1)

unde: tsc – temperatura apei pe tur (proiect); trc – temperatura apei pe retur (proiect); tic – temperatura interioară a camerei (proiect); tec – temperatura exterioară (proiect); aic – efectul aporturilor interne de căldură asupra temperaturii camerei. Exemplu: Încălzire: tsc = 80oC; trc = 60oC; tic = 20oC; tec = -10oC; aic = 2oC; x = ±10% Răcire: tsc = 6oC; trc = 12oC; tic = 22oC; tec = 35oC; aic = 5oC; x = ±15%


3

1.2. Unde trebuie amplasate vanele de echilibrare Vanele de echilibrare trebuie instalate în sistem astfel încât acesta să poată fi împărŃit în

module care pot fi echilibrate independent de restul instalaŃiei. Astfel, fiecare terminal, fiecare ramură, fiecare coloană, conductă principală şi fiecare unitate de producere trebuie echipate cu vane de echilibrare.

Prin prezenŃa vanelor de echilibrare se pot compensa micile modificări aduse proiectului în momentul execuŃiei, eventuale erori sau supradimensionări. Se economiseşte timp şi se obŃine o echilibrare optimă. Mai mult, instalaŃia poate fi echilibrată şi pusă în funcŃiune treptat, nefiind necesară reechilibrarea instalaŃiei când aceasta este terminată.

Vanele de echilibrare sunt de asemenea utilizate pentru depistarea defecŃiunilor şi pentru închidere în timpul intervenŃiilor şi reparaŃiilor.

Figura 7.1 Amplasarea teoretică a vanelor de echilibrare

Teoretic, cu o singură vană de echilibrare pe unitatea terminală este suficient să se realizeze repartiŃia debitelor în sistemul de distribuŃie. Dar acest lucru necesită ca valoarea de presetare pentru toate vanele de echilibrare să fie calculată corect şi ca instalaŃia să fie realizată conform proiectului.

Dacă se modifică unul sau mai multe debite, toate celelalte debite sunt mai mult sau mai puŃin afectate. Pot fi necesare serii lungi şi anoste de corecŃii pentru a obŃine din nou debitele corecte.

În practică, este necesară împărŃirea sistemelor mari în module şi instalarea vanelor de echilibrare astfel încât reajustând una sau doar câteva vane să se poată compensa ajustarea unui debit în orice zonă a sistemului.

1.2.1. Legea propor Ńionalit ăŃii

Terminalele din figura 7.2 formează un modul. O perturbaŃie externă a modulului produce o variaŃie a presiunii diferenŃiale între A şi B. Cum debitul depinde de presiunea diferenŃială, debitele din toate terminalele se modifică în aceeaşi proporŃie.

Debitul prin aceste terminale poate fi deci monitorizat prin măsurarea debitului doar într-unul dintre acestea, care poate servi drept referinŃă. O vană de echilibrare comună tuturor terminalelor poate compensa efectul unei perturbaŃii externe asupra debitelor terminalelor din modul. Această vană se numeşte vană PARTENER (asociat).


4

Figura 7.2 O perturbaŃie externă are acelaşi efect asupra oricărei unităŃi terminale

Totuşi, în mod normal, terminalele sunt conectate ca în figura 7.3. Debitul prin fiecare terminal depinde de presiunea diferenŃială între A şi L. Orice modificare a acestei presiuni afectează debitul din fiecare terminal în aceeaşi proporŃie.

Figura 7.3 Vana partener compensează perturbaŃiile externe

Dar ce se întâmplă dacă se creează o perturbaŃie internă unui modul, de exemplu închizând vana de echilibrare a terminalului 3?

Acest lucru va influenŃa serios debitele în conductele CD şi IJ şi astfel căderea de presiune în aceste tronsoane. Presiunea diferenŃială între E şi H se va modifica semnificativ, ceea ce va afecta debitele în terminalele 4 şi 5 în aceeaşi proporŃie.

Figura 7.4 Efectul unei perturbaŃii interne asupra modulului


5

Faptul că terminalul 3 este închis va avea un efect mic asupra debitului total din tronsoanele AB şi KL, căderile de presiune în aceste tronsoane modificându-se foarte puŃin. Presiunea diferenŃială între B şi K se va modifica într-o oarecare măsură, iar terminalul 1 nu va reacŃiona la perturbaŃie în aceeaşi proporŃie ca terminalele 4 şi 5. Astfel legea modificării proporŃionale a debitului nu se aplică pentru perturbaŃii interne (fig.7.4).

Totuşi debitele se modifică în aceeaşi proporŃie într-un modul, numai dacă TOATE căderile de presiune depind de debitul q conform aceleiaşi relaŃii în orice zonă a modulului!

Acest lucru nu este adevărat în realitate, deoarece pentru conducte căderea de presiune este funcŃie de q1.87, iar pentru vane este funcŃie de q2. Mai mult chiar, la debite mici, mişcarea poate deveni laminară şi căderea de presiune variază liniar cu debitul.

1.2.2. Ce reprezint ă echilibrarea optim ă?

În figura 7.5 se prezintă 2 module. Numerele indică pierderile de sarcină din fiecare terminal şi din fiecare vană de echilibrare. Ambele module sunt echilibrate. În ambele cazuri presiunea diferenŃială din fiecare terminal este satisfăcută pentru obŃinerea debitului de proiect, dar căderile de presiune sunt distribuite diferit între vanele de echilibrare de la terminale şi vana partener.

Care echilibrare este mai bună dintre cele două?

Figura 7.5 Două soluŃii diferite de echilibrare

Echilibrarea optimă înseamnă 2 lucruri: • Autoritatea vanelor de reglaj este maximizată, pentru un reglaj cât mai exact; • Supradimensionarea pompei este dezvăluită, astfel încât înălŃimea de pompare şi costurile de

pompare pot fi minimizate.

Echilibrarea optimă se obŃine când vanele de echilibrare ale terminalelor preiau pierderea de sarcină minimă (cel puŃin 3 kPa pentru a se măsura precis debitul), iar orice presiune în exces este preluată de vana partener.

Echilibrarea care conduce la pierderile de sarcină din figura 7.5b este mai bună, deoarece indică cele mai mici valori admise ale căderii de presiune în vanele de echilibrare, la care se obŃin debitele de proiect.

Evident, echilibrarea optimă este posibilă numai dacă vanele partener sunt instalate. Vana partener are grijă de excesul de presiune diferenŃială. TuraŃia pompei poate fi redusă, iar vana partener se va deschide corespunzător.

În exemplul 7.5b, căderea de presiune în vana partener şi înălŃimea de pompare pot fi reduse (ambele cu 9 kPa; 12 kPa-9 kPa=3 kPa) scăzând corespunzător şi costurile de pompare.


6

1.2.3. ÎmpărŃirea instala Ńiei pe module

Atunci când terminalele de pe o ramură sunt echilibrate între ele, ramura poate fi privită ca o "cutie", adică un modul. Componentele sale reacŃionează proporŃional la ajustarea debitului extern iar vana partener poate compensa uşor astfel de perturbaŃii.

Figura 7.6 Principiul modularizării

La pasul următor, modulele ramurii sunt echilibrate între ele cu vana de echilibrare a coloanei pe post de vană partener. După aceasta, toate modulele coloanei formează un modul mai mare, al cărui debit poate fi ajustat cu vana de echilibrare a coloanei.

În final, coloanele sunt echilibrate între ele, cu fiecare coloană ca modul şi cu vana de echilibrare de pe conducta principală drept vană partener.

1.2.4. Teorie şi practic ă

Figura 7.7 Simplificări pentru reducerea numărului de vane de echilibrare


7

Figura 7.8 Tronsonul KL a fost "desfiinŃat" şi s-a introdus fictivul MN

Figura 7.9 O schemă preliminară de reprezentare a unei instalaŃii

Figura 7.10 Simplificarea reprezentării şi scăderea numărului vanelor de echilibrare


8

Figura 7.11 Montarea vanei de echilibrare pe direcŃia optimă de curgere

1.3. Pregătiri pentru aplicarea metodelor de echilibrare

Echilibrarea hidraulică este una dintre ultimele operaŃii care trebuie efectuate înainte de punerea în funcŃiune a instalaŃiei.

Echilibrarea trebuie pregătită cu grijă, astfel se ajunge la rezultate finale mai bune într-un timp mai scurt. Această pregătire presupune următoarele:

a) Studiul atent al planurilor instalaŃiei;

b) Alegerea metodei adecvate de echilibrare;

Când se ajustează un debit cu o vană de echilibrare, căderile de presiune în vană şi conductă se modifică. De asemenea, şi presiunea diferenŃială în alte vane de echilibrare se modifică.

Deci fiecare ajustare de debit perturbă debitul în vanele deja ajustate, cu alte cuvinte circuitele sunt interactive.

DiferenŃa principală între metodele de echilibrare existente constă în modul de compensare a interacŃiunii dintre circuite.

Unele metode nu compensează deloc această interacŃiune. Acest lucru înseamnă că operatorul trebuie să seteze de mai multe ori aceeaşi vană de echilibrare până când debitul va converge către valoarea dorită. Alte metode realizează compensarea direct sau indirect.

Metoda compensată este o dezvoltare a metodei proporŃionale, obŃinând rezultate mai bune într-un timp mai scurt. Metoda echilibrării TA este cea mai simplă, necesitând un singur om şi un singur instrument de măsură pentru a echilibra întreaga instalaŃie.

Nici una dintre metodele de mai sus nu poate fi utilizată pentru a echilibra sisteme de distribu Ńie care au returul inversat.

În acest caz, trebuie utilizată o metodă iterativă. Se parcurge întreaga instalaŃie de mai multe ori şi se ajustează debitele "după inspiraŃie", până când acestea corespund relativ bine cu debitele de proiect, sau se calculează manual / automat valorile corecte de presetare pentru vanele de echilibrare (v. secŃiunea 3).

c) Identificarea circuitelor şi a vanelor de echilibrare;

Uzual un circuit începe de la o pompă şi se termină la ultima unitate din circuit sau la o interfaŃă cu un alt circuit. Deci în general, prezenŃa unei pompe caracterizează existenŃa unui circuit.

O excepŃie de la această observaŃie o reprezintă cazul unor pompe montate în serie sau a unor circuite interactive care au o rezistenŃă hidraulică comună.


9

Figura 7.12 Exemplu de numerotare a vanelor de echilibrare

d) Pregătirea etichetelor de identificare;

Figura 7.13 Exemplu de realizare a etichetei unei vane de echilibrare

e) InspecŃia instalaŃiei şi măsuri premergătoare echilibrării:

� Verificarea/corespondenŃa realităŃii din teren cu cea de pe planşe; � Identificarea la faŃa locului a vanelor de echilibrare şi etichetarea lor (acces !?); � Verificarea faptului că sistemul a fost curăŃat de impurităŃi şi aerisitoarele funcŃionează

eficient; � Verificarea montajului clapetelor de sens.

Temperatura apei poate influenŃa serios acurateŃea echilibrării: � Instrumentul de măsură în bună stare / baterii OK; � Există suficientă presiune statică în instalaŃie; � Gradul de deschidere al vanelor (dacă există sau nu presetare); � Pompele funcŃionează bine, în sensul dorit.


10

2. METODA PRESETĂRII

Metoda presetării presupune că proiectantul calculează valorile de presetare a vanelor de echilibrare şi le notează pe planşă. Este simplu apoi pentru cel care realizează execuŃia, să preseteze vanele conform indicaŃiilor din desen.

Pierderile de sarcină pentru fiecare unitate terminală, vană de reglare, vană de echilibrare, conducte şi alte accesorii, însumate pe circuitul cel mai defavorizat în raport cu pompa determină sarcina de pompare necesară Hnec. Apoi în funcŃie de gama de tipodimensiuni, se alege o pompă cu caracteristica presiune-debit (H-Q) cea mai convenabilă: sarcină de pompare cât mai apropiată de cea necesară la debitul de proiect determinat.

Pentru fiecare parte a instalaŃiei, diferenŃa dintre sarcina de pompare reală a pompei alese şi cea teoretic necesară determinată prin calcul, reprezintă o presiune în EXCES care trebuie într-un mod sau altul consumată.

În sistemele cu debit variabil, vanele de reglare pot fi redimensionate astfel încât să preia cât mai mult posibil din presiunea în exces, iar restul de presiune diferenŃială disponibilă să fie preluată în vanele de echilibrare.

În alte cazuri, excesul de presiune poate fi preluat de vanele de echilibrare ale coloanelor.

Metoda presetării este o metodă aplicată pe planul instalaŃiei. În realitate, atunci când aceasta este finalizată, deseori sunt necesare corecŃii reale ale debitului şi căderilor de presiune efective.

CorecŃiile se realizează prin metodele de echilibrare descrise în cele ce urmează şi se notează în raportul final de echilibrare.

3. METODA ITERATIV Ă

Se utilizează când nici o altă metodă nu e aplicabilă, în special dacă instalaŃia nu a fost împărŃită în module prevăzute cu vane partener (cazul unor instalaŃii mai vechi), sau pentru distribuŃii cu retur inversat. Deşi este simplă de înŃeles, în practică, este şi mare consumatoare de timp.

Principiul metodei constă în eliminarea debitelor în exces din anumite zone preferenŃiale pentru a mări debitul în unităŃile îndepărtate de sursă (mai defavorizate).

În continuare este prezentată o succesiune de operaŃii ale metodei iterative. 1. Se deschid toate vanele de echilibrare. Cu ajutorul vanei principale de echilibrare a instalaŃiei, se

limitează valoarea debitului pompei la maxim 110% din debitul de proiect, pentru a preveni supraîncărcarea motorului acesteia;

2. Se începe cu unităŃile terminale cele mai apropiate de pompă, deoarece uzual acestea sunt cele mai expuse la debite în exces (supradebit=overflow). Se ajustează debitele prin aceste unităŃi la o valoare de aproximativ 90% din debitele de proiect. Dacă există unităŃi terminale prin care trece un debit mai mic decât cel de proiect, vanele de echilibrare ale acestora se menŃin total deschise;

3. Se măsoară debitul care trece prin vana principală de echilibrare a instalaŃiei. Uzual se înregistrează un supradebit şi atunci se ajustează debitul pompei la o valoare între 100% şi 105% din debitul de proiect;

4. Se măsoară debitul în fiecare unitate terminală şi unde se înregistrează un debit în exces se reajustează la valoarea de proiect;


11

5. Se repetă succesiv operaŃiile 3 şi 4 până când se obŃin debitele cu precizia dorită; 6. La final, dacă pierderea de sarcină în vana principală de echilibrare a instalaŃiei este ridicată, se

poate reduce sarcina de pompare prin schimbarea rotorului pompei sau prin schimbarea acesteia cu una mai mică şi apoi se deschide corespunzător vana pentru a obŃine debitul corect.

NOTĂ:

Dacă debitul maxim al pompei este mai SCĂZUT decât valoarea de proiect, se verifică dacă nu există obstrucŃii în instalaŃie (de exemplu vane parŃial închise).

Dacă totuşi situaŃia se menŃine, se ajustează debitele prin unităŃile terminale astfel încât debitul disponibil să fie egal distribuit. Atunci când se înlocuieşte pompa pentru a obŃine debitul de proiect instalaŃia rămâne echilibrată, dar cu debitele corecte.

4. METODA PROPORłIONAL Ă

4.1. Principiul metodei

Când mai multe unităŃi sunt conectate la acelaşi circuit, orice variaŃie a presiunii diferenŃiale aplicate acestuia modifică debitele în toate unităŃile în ACEEAŞI PROPORłIE.

Regula de mai sus se bazează pe accepŃiunea că pierderile de sarcină din toate elementele instalaŃiei depind de debit pe baza unei relaŃii de tip 2qkp ⋅=∆ şi că rezistenŃele hidraulice rămân nemodificate.

4.2. SelecŃia coloanei cu cel mai mare raport de debit 1. Se deschid toate vanele de reglare, vanele de echilibrare şi vanele de închidere; 2. Cu ajutorul vanei principale de echilibrare a instalaŃiei se ajustează debitul pompei la o valoare

cuprinsă între 100% şi 110% din debitul de proiect al instalaŃiei; 3. Se măsoară debitul pentru fiecare coloană şi se calculează raportul de debit

proiectdeDebit

masuratDebit=λ pentru fiecare dintre ele;

4. Se identifică coloana care are acest raport λ cu valoarea maximă. Aceasta va fi prima coloană care se va echilibra. Apoi se vor echilibra în ordine descrescătoare a valorilor λ şi celelalte coloane.

4.3. SelecŃia ramurii cu cel mai mare raport de debit de pe coloană 1. Se măsoară debitul în toate ramurile coloanei selectate; 2. În anumite ramuri, debitul poate avea o valoare mult mai mare decât cea de proiect chiar 150%.

Se închid vanele de echilibrare ale acestor ramuri până când debitul atinge o valoare de aproximativ 110% din debitul de proiect;

3. Cu ajutorul vanei principale de echilibrare a instalaŃiei se ajustează debitul total al pompei;

4. Se începe echilibrarea ramurilor care au raportul de debit proiectdeDebit

masuratDebit=λ mai mare sau

egal cu 1 în ordine descrescătoare a acestuia.


12

4.4. Echilibrarea unit ăŃilor terminale ale unei ramuri

Figura 7.14 Echilibrarea unităŃilor terminale ale unei ramuri

1. Se măsoară debitele la capetele ramurii alese, cu vana de echilibrare a ramurii (STAD-1.2.0) complet deschisă;

2. Pentru fiecare unitate terminală se calculează raportul de debit proiectdeDebit

masuratDebit=λ . Se

identifică unitatea terminală care are λ MINIM (ea se va numi "Unitate Index"). Dacă toate unităŃile terminale au aceeaşi pierdere de sarcină la debitul de proiect, atunci în mod normal unitatea terminală 5 va avea λ minim, deoarece ea primeşte cea mai mică presiune diferenŃială. Dacă unităŃile terminale nu au toate aceeaşi pierdere de sarcină, atunci oricare dintre ele poate fi unitate index;

3. Se utilizează vana de echilibrare a ultimului consumator ca şi vană de referinŃă (STAD-1.2.5); 4. Se ajustează vana de referinŃă STAD-1.2.5 astfel încât λ5 =λminim. Se blochează STAD-1.2.5 pe

această valoare de setare. Se conectează acolo aparatul CBI, pentru o măsurare continuă a debitului;

5. Se setează vana STAD-1.2.4 astfel încât λ4 =λ5. Această operaŃie va modifica într-o anumită măsură raportul de debit λ5. Dacă setarea STAD-1.2.4 a modificat debitul în vana de referinŃă cu mai mult de 5%, atunci STAD-1.2.4 trebuie reajustată astfel încât λ4 să devină egal cu noua valoare λ5. Se blochează STAD-1.2.4 pe această valoare;

6. Se ajustează debitele la toŃi consumatorii de pe ramură. Când de exemplu, STAD-1.2.2 este reglată, raportul de debit λ5 se modifică, dar λ3 şi λ4 rămân egale cu λ5 deoarece debitul se modifică proporŃional sub influenŃa unei perturbaŃii externe. Acesta este motivul pentru care doar ultimul consumator este ales ca referinŃă. Când toŃi consumatorii sunt relativ echilibraŃi unul faŃă de altul, este posibil să se regleze vana partener STAD-1.2.0 astfel încât λ5 = 1. Toate celelalte rapoarte de debit (λ4, λ3, λ2, λ1) vor deveni şi ele egale cu 1, automat. NOTĂ: Totuşi se recomandă ca această operaŃie să nu fie efectuată, deoarece va avea loc automat în momentul în care se încheie echilibrarea întregii instalaŃii;

7. Se repetă procedura pentru toate ramurile de pe aceeaşi coloană. Pentru a economisi timp, se poate face următorul raŃionament:

În loc de reglajul raportului de debit pentru vana de referinŃă (circuitul 5), acesta poate fi realizat pentru ultima vană de echilibrare reglată. De exemplu, după setarea vanei de echilibrare de pe circuitul 2, noul raport de debit pentru toate vanele de echilibrare din circuitele 3, 4 şi 5 este


13

acelaşi şi poate fi măsurat la vana de echilibrare de pe circuitul 3 în loc de a merge la vana de referinŃă (circuitul 5).

Când circuitul 3 este setat, CBIa rămâne pe acest circuit. Cel care realizează echilibrarea merge la circuitul 2 pe care îl reglează cu CBIb, pentru corectarea raportului de debit. Se întoarce apoi la circuitul 3, măsoară noul raport de debit şi îndepărtează CBIa. Apoi ajustează debitul din circuitul 2 şi fără să scoată CBIb din acest circuit, merge la circuitul 1 cu CBIa etc.

4.5. Echilibrarea ramurilor unei coloane Dacă toate terminalele de pe toate ramurile coloanei selectate au fost echilibrate conform

procedurii de la punctul 4.4, se pot echilibra aceste ramuri utilizând o aceeaşi succesiune de operaŃii.

Figura 7.15 Echilibrarea ramurilor unei coloane

1. Se verifică dacă vana partener a coloanei (STAD-1.0) este deschisă; 2. Se măsoară debitele în toate ramurile coloanei, se determină raportul de debit

proiectdeDebit

masuratDebit=λ şi se identifică ramura care are raportul λ minim;


14

3. Se ajustează vana de echilibrare partener de pe ramura cea mai îndepărtată de pompă (STAD-1.3.0), astfel încât λ1.3.0=λminim şi se blochează pe această valoare de setare. Se conectează aparatul CBI pentru o măsurare continuă a debitului sau a presiunii diferenŃiale; 4. Se setează vana STAD-1.2.0 pentru a se obŃine λ1.2.0=λ1.3.0. Pentru că această operaŃie va modifica într-o anumită măsură raportul de debit λ1.3.0 măsurat, se reajustează STAD-1.2.0 astfel încât λ1.2.0 să devină egal cu noua valoare λ1.3.0. Se blochează STAD-1.2.0 pe această valoare; 5. Se ajustează debitele care trec prin celelalte ramuri conform operaŃiilor de la punctul 4 (STAD-1.1.0 în acest caz); 6. Se repetă procedura pentru toate coloanele din instalaŃie.

4.6. Echilibrarea coloanelor de pe distribuŃia principală Ultima fază a echilibrării instalaŃiei constă în echilibrarea coloanelor de pe distribuŃia

principală utilizând o aceeaşi succesiune de operaŃii.

Figura 7.16 Echilibrarea coloanelor de pe distribuŃia principală

1. Se verifică dacă vanele partener ale coloanelor (STAD-1.0, STAD-2.0, STAD-3.0) sunt complet deschise; 2. Se măsoară debitele şi se identifică vana în care raportul λ este minim; 3. Se ajustează vana de echilibrare partener de pe coloana cea mai îndepărtată de pompă (STAD-3.0) astfel încât λ3.0=λminim şi se blochează pe această valoare de setare. Se conectează aparatul CBI pentru o măsurare continuă a debitului sau a presiunii diferenŃiale; 4. Se ajustează vana STAD-2.0 pentru a se obŃine λ2.0=λ3.0. Pentru că această operaŃie va modifica într-o anumită măsură raportul de debit λ3.0 măsurat, se reajustează STAD-2.0 astfel încât λ2.0 să devină egal cu noua valoare λ3.0. Se blochează STAD-2.0 pe această valoare; 5. Se ajustează debitele care trec prin celelalte coloane conform operaŃiilor de la punctul 4 (STAD-1.0 în acest caz);


15

6. Se ajustează vana principală de echilibrare STAD-0 pentru a obŃine λ3.0=1.0. În acest moment, toate rapoartele de debit λ în celelalte coloane, ramuri şi unităŃi terminale devin unitare şi se obŃin debitele corecte în instalaŃie.

5. METODA COMPENSAT Ă

Reprezintă o îmbunătăŃire a metodei proporŃionale, cu 3 avantaje principale: • Punerea în funcŃiune în trepte a instalaŃiei

InstalaŃia se poate echilibra treptat în timpul construcŃiei, nefiind necesară reechilibrarea întregului sistem când acesta este terminat;

• Punerea rapidă în funcŃiune Metoda compensată reduce semnificativ timpul consumat, nemaifiind necesară măsurarea debitului în toate vanele de echilibrare şi calcularea tuturor rapoartelor de debit. Echilibrarea poate începe cu orice coloană (dar coloanele care nu sunt echilibrate trebuie închise). Nu există pericolul unui debit excedentar la pompa principală, nici cel al unei presiuni diferenŃiale prea mici pe ramuri (care ar produce dificultăŃi la măsurarea debitului). De asemenea, necesită doar o singură reglare a debitului în fiecare vană de echilibrare;

• Minimizarea costurilor pompării Când echilibrarea este încheiată, se poate citi supradimensionarea pompei chiar pe vana principală de echilibrare. Deci înălŃimea de pompare poate fi redusă corespunzător, ceea ce poate conduce la economii importante, în special în cazul instalaŃiilor de răcire.

Metoda compensată este bazată pe metoda proporŃională, dar se dezvoltă pe un aspect

esenŃial: ea presupune ca rapoartele de debit să fie automat menŃinute egale cu 1 de-a lungul procesului de echilibrare al unui modul.

5.1. Vana de referinŃă şi vana partener

Debitul în fiecare vană este reglat o singură dată. Metoda presupune că este posibil să se măsoare perturbarea debitului care se produce atunci când o vană de echilibrare este ajustată şi că perturbarea poate fi compensată într-un anumit mod.

Perturbarea este detectată la vana de echilibrare cea mai depărtată de pompă, în acest modul (figura 7.17). Această vană este numită vană de referinŃă.

Figura 7.17 Vana de referinŃă este cea mai îndepărtată de pompă

O vană de echilibrare montată în zona ramurii cu debit total, numită vană partener, compensează perturbarea. Cu această vană, presiunea diferenŃială la vana de referinŃă poate fi resetată pe valoarea iniŃială de fiecare dată când apare o perturbare.


16

Metoda începe prin reglarea debitului pe valoarea de proiect în vana de referinŃă, conform procedurii speciale prezentate în continuare. Rezultatul este o anumită presiune diferenŃială ∆pR, care va fi monitorizată în permanenŃă.

Vana de referinŃă este apoi blocată pe această valoare. Deoarece debitul este corect în acest moment, pierderile de sarcină sunt de asemenea corecte la consumatorul 5 şi în vana de echilibrare şi accesoriile acestuia. Presiunea diferenŃială ∆pEH este deci corectă şi se poate trece la reglarea debitului la consumatorul 4.

Când debitul la consumatorul 4 este reglat, ∆pR se modifică uşor în vana de referinŃă, care are setarea blocată. Avem deci o indicaŃie că a apărut o perturbare din cauza operaŃiilor de la consumatorul 4. Ca urmare, ∆pR trebuie reajustată la valoarea iniŃială cu vana partener. Cu alte cuvinte, debitul de proiect trebuie reajustat în vana de referinŃă prin compensarea cu vana partener. Acum debitele de la consumatorii 4 şi 5 au valorile de proiect, iar presiunea diferenŃială ∆pDI la consumatorul 3 este de asemenea egală cu valoarea de proiect. Debitul mai trebuie ajustat pe acest consumator.

Ajustarea debitului la unitatea terminală 3 produce evident o perturbare, care este detectată de vana de referinŃă şi compensată de vana partener. Reajustarea debitului de proiect la terminalul 5 aduce automat presiunea diferenŃială ∆pEH şi debitul la terminalul 4 la valorile de proiect.

Această procedură funcŃionează indiferent de numărul de consumatori de pe o ramură. Ajustările trebuie realizate începând cu vana de referinŃă şi venind spre pompă. Aceeaşi procedură este apoi aplicată la echilibrarea coloanelor. Ultima ramură a coloanei (cea mai îndepărtată de pompă) este utilizată ca referinŃă, iar vana de echilibrare a coloanei devine vană partener.

5.2. Setarea vanei de referinŃă

Se alege ∆pR cât mai mic posibil, dar suficient de mare astfel încât să se aibă în vedere următoarele 2 condiŃii: � Să fie minim 3kPa pentru a se obŃine o precizie suficientă a măsurătorii

Instrumentul CBI este capabil să indice debitul pentru presiuni diferenŃiale minime de 0.5 kPa.

Totuşi, pentru a se reduce influenŃa pulsaŃiei presiunii în instalaŃie, se recomandă ∆pR > 3 kPa. Valoarea Kv poate fi calculată (dacă pierderea de sarcină este cel puŃin 3 kPa) cu formula:

qKv ⋅= 8.5 [m3/h] sau q21Kv ⋅= [l/s] (2)

O altă cale mai simplă este de a lăsa aparatul CBI să calculeze setarea corectă a vanei de referinŃă. � Să fie cel puŃin egală cu pierderea de sarcină în vana complet deschisă şi la debitul

nominal Dacă pierderea de sarcină este mai mare de 3 kPa pentru debitul nominal şi vana de

echilibrare complet deschisă, este clar că nu este posibil a seta vana de referinŃă pentru a obŃine 3 kPa.

Când se alege o valoare potrivită pentru ∆pR, se presetează vana de referinŃă astfel încât să se obŃină ∆pR la debitul nominal. Se utilizează CBI sau o nomogramă pentru a găsi setarea corectă a roŃii de manevră. Se blochează apoi roata de manevră.

Pentru a obŃine valoarea ∆pR aleasă şi astfel debitul de proiect, se ajustează vana partener. Acest lucru este întotdeauna posibil deoarece celelalte coloane sunt închise şi pierderea de sarcină în conducta principală este mică. Presiunea diferenŃială disponibilă este astfel mai mare decât în mod normal. Surplusul va fi consumat în vana partener.

Dacă pierderea de sarcină diferă mult între diferiŃi consumatori, vezi secŃiunea 5.6.


17

5.3. Echilibrarea terminalelor unei ramuri

Se alege o coloană oarecare, de exemplu cea mai apropiată de pompă. Aceasta asigură o presiune diferenŃială suficientă pentru coloana selectată. Se alege o ramură oarecare de pe coloană. În mod normal, nu trebuie închisă nici una dintre celelalte ramuri ale coloanei. Totuşi, dacă anumite ramuri sunt prevăzute cu conductă de bypass, debitul în aceste ramuri (sau pe ramurile izolate) trebuie limitat. 1. Se determină poziŃia roŃii de manevră a vanei de referinŃă care duce la obŃinerea debitului de

proiect la valoarea ∆pR aleasă (normal 3 kPa). Se utilizează CBI sau o nomogramă pentru găsirea poziŃiei corecte a roŃii de manevră;

2. Se pune vana de referinŃă în această poziŃie şi se blochează; 3. Se conectează un aparat CBI la vana de referinŃă; 4. Operatorul 1 ajustează vana partener astfel încât să se obŃină valoarea ∆pR aleasă, în vana de

referinŃă. InformaŃia privind valoarea ∆pR curentă este transmisă operatorului 1 de către operatorul 3, de exemplu cu un walkie-talkie. Această operaŃie conduce la obŃinerea debitului de proiect la terminalul 5. Dacă valoarea ∆pR nu poate fi atinsă, cauza poate fi că în terminalele neechilibrate de pe ramură trece un debit prea mare. Se închid cât mai multe din ele pentru a obŃine ∆pR aleasă;

5. Operatorul 2 aduce debitul din terminalul 4 la valoarea de proiect utilizând computerul CBI. Acesta calculează care poziŃie a roŃii de manevră va asigura debitul de proiect. În timpul procedurii, operatorul 1 reajustează continuu vana partener astfel încât să se menŃină ∆pR la valoarea iniŃială;

6. Operatorul 2 ajustează debitele din fiecare terminal acŃionând succesiv către terminalul 1, conform pct. 5. Toate terminalele ramurii sunt echilibrate unele faŃă de altele, independent de presiunea diferenŃială aplicată modulului.

OBSERVAłIE:

Să presupunem că se lucrează cu 2 echilibratori şi 2 aparate CBI (CBIa şi CBIb). Când se ajustează de exemplu terminalul 3 cu CBIa, operatorul poate verifica modificarea

debitului în terminalul 4 (cu CBIb) în loc să se deplaseze la referinŃă (terminalul 5). El îi comunică operatorului 1 să reajusteze debitul în terminalul 4, îndepărtează CBIb din

acest terminal şi eventual reajustează debitul în terminalul 3. El lasă CBIa în terminalul 3 şi merge cu CBIb în terminalul 2, urmărind aceeaşi procedură şi verificând evoluŃia debitului la terminalul 3. Se repetă procedura pentru toate vanele.

5.4. Echilibrarea ramurilor unei coloane 1. Se determină poziŃia roŃii de manevră a vanei de referinŃă STAD-1.9.0 care duce la obŃinerea

debitului de proiect pentru valoarea ∆pR aleasă (normal 3 kPa). Se utilizează CBI sau o nomogramă pentru găsirea poziŃiei corecte;

2. Se ajustează vana de referinŃă pe această poziŃie şi se blochează; 3. Se conectează CBI la vana de referinŃă; 4. Operatorul 1 ajustează vana partener astfel încât să se obŃină valoarea ∆pR aleasă, în vana de

referinŃă. Acest lucru conduce la obŃinerea debitului de proiect în ramura de referinŃă. Dacă valoarea ∆pR aleasă nu poate fi obŃinută, cauza poate fi că în anumite ramuri ale coloanei trece un debit prea mare. Se închid apoi cât mai multe ramuri pentru a obŃine valoarea ∆pR aleasă;

5. Operatorul 2 ajustează debitul în ramura 1.2.0 utilizând computerul CBI. Acesta calculează care poziŃie a roŃii de manevră va asigura debitul de proiect. În timpul procedurii, operatorul 1 reajustează continuu vana partener pentru menŃinerea debitului în ramura de referinŃă pe valoarea iniŃială;


18

Figura 7.18 Echilibrarea ramurilor pe coloana montantă

6. Operatorul 2 ajustează debitele în fiecare ramură acŃionând succesiv spre ramura 1.1.0, conform procedurii de la pasul 5. Toate ramurile coloanei sunt echilibrate una faŃă de cealaltă, independent de presiunea diferenŃială disponibilă pe coloană.

5.5. Echilibrarea coloanelor de pe o distribuŃie

Procedura de echilibrare este aceeaşi ca la echilibrarea ramurilor unei coloane. Vana de referinŃă este STAD-7.0, iar vana partener este STAD-0.

Figura 7.19 Echilibrarea coloanelor pe distribuŃie


19

Când echilibrarea coloanelor 7.0, 6.0, 5.0 etc. este încheiată, întreaga instalaŃie este echilibrată la debitul de proiect şi pierderea de sarcină în STAD-0 indică supradimensionarea pompei. Dacă excedentul de presiune este mare, este mai rentabil să se înlocuiască pompa cu una mai mică.

Atunci când se utilizează o pompă cu turaŃie variabilă, STAD-0 nu mai este necesară. TuraŃia maximă este reglată pentru obŃinerea debitului de proiect în vana partener de pe o coloană. Toate celelalte debite vor fi aduse automat la valoarea de proiect.

5.6. Setarea vanei de referinŃă când pierderile de sarcină diferă substanŃial între terminale

În acest caz, o presiune diferenŃială ∆pR=3 kPa în vana de referinŃă poate să nu fie suficientă pentru a obŃine presiunea diferenŃială pentru celelalte terminale.

Această problemă este rezolvată în metoda proporŃională utilizând acelaşi raport de debit în vana de referinŃă cu cel măsurat în circuitul index. Dar metoda proporŃională supraestimează deseori ∆pR şi echilibrarea nu este optimizată (pierderi de sarcină mari inutile în vanele de echilibrare).

În continuare se prezintă o metodă de a obŃine o valoare potrivită pentru ∆pR. Ramura din figura 7.20 are terminale cu pierderi diferite de sarcină.

Figura 7.20 Probleme la unitatea index

Se alege ∆pR de regulă 3 kPa. Se notează această valoare preliminară cu ∆pR0. Se continuă cu echilibrarea conform metodei compensate. Când se ajunge la circuitul index, se observă că este imposibil de obŃinut debitul de proiect, deoarece presiunea diferenŃială este de numai 29 kPa, în timp ce necesarul este mai mult de 40 kPa pentru obŃinerea debitului de proiect. Se urmează paşii: 1. Se ajustează vana de echilibrare V2 de pe circuitul index astfel încât căderea de presiune să fie

aproximativ 3 kPa la debitul de proiect;

2. Se măsoară debitul în circuitul index şi se calculează raportul de debit proiectdeDebit

masuratDebit=2λ ;

3. Se închide vana de echilibrare V2 de pe circuitul index şi se măsoară presiunea diferenŃială care se notează cu ∆p0;

4. Noua valoare ∆pR care trebuie să fie obŃinută în vana de referinŃă este dată de formula (3):

)11

(200 −⋅∆+∆=∆

λppp RR (3)


20

5. Se setează vana de referinŃă astfel încât să se obŃină această pierdere de sarcină la debitul de proiect;

6. Se reechilibrează întreaga ramură.

Figura 7.21 Rezultatul procedurii

Exemplu: • Se stabileşte iniŃial ∆pR=3 kPa; • Se măsoară debitul la pasul 2 şi se obŃine λ2=0.82 (82% din debitul de proiect); • Se închide unitatea index 2 şi se măsoară ∆p0=29 kPa; • Pentru a obŃine debitul de proiect în unitatea index 2 este necesară o presiune diferenŃială

282.0

29kPa 43 = kPa deci o diferenŃă 14 kPa=43 kPa-29 kPa;

• Se setează vana de referinŃă astfel încât să se obŃină debitul de proiect la o presiune diferenŃială 17 kPa=3 kPa+14 kPa sau se calculează această valoare direct din relaŃia (3)

)182.0

1(293

2−⋅+=∆ Rp =17 kPa;

• Se acceptă această valoare şi se reechilibrează ramura. OBSERVAłIE:

Dacă valorile pierderilor de sarcină în conducte ∆pConducte sunt cunoscute sau pot fi estimate, presiunea diferenŃială la unitatea de referinŃă poate fi determinată cu relaŃia (4):

Referinta UnitateConducteIndex Unitate ppppR ∆−∆−∆=∆ (4)

Exemplu: Pentru ∆pConducte=6 kPa se obŃine ∆pR0=43-6-20=17 kPa.


1

Cuvânt înainte

Echilibrarea hidraulică a unei instalaŃii presupune ca vanele de echilibrare să fie corect dimensionate şi plasate în sistem, iar instalaŃia să fie divizată pe module a căror interacŃiune poate fi compensată, module asupra cărora se pot derula proceduri de echilibrare independent de restul sistemului.

Metodele de echilibrare diferă între ele prin modalitatea în care se gestionează şi compensează interacŃiunile între diversele elemente ale instalaŃiei.

SUBIECTELE CURSULUI

1. METODA DE ECHILIBRARE TA (TA BALANCE) .............................................................2 1.1. Principiul metodei............................................................................................................2 1.2. Modularizarea instalaŃiei ..................................................................................................2 1.3. Pregătirea aplicării procedurii ..........................................................................................3 1.4. Echilibrarea terminalelor unei ramuri ...............................................................................3 1.5. Echilibrarea ramurilor unei coloane..................................................................................4 1.6. Echilibrarea coloanelor de pe distribuŃia principală ..........................................................4 1.7. ObservaŃii finale...............................................................................................................5


2

1. METODA DE ECHILIBRARE TA (TA BALANCE)

1.1. Principiul metodei

Metoda de echilibrare TA (TA BALANCE) reprezintă de fapt un produs software încorporat în instrumentul computerizat de echilibrare CBIII.

După ce se efectuează o serie de măsurători în instalaŃie, acest software este în măsură să ofere rezultate privind modul de setare al vanelor de echilibrare, astfel încât să se obŃină cu cea mai ridicată precizie posibilă debitele de proiect.

1.2. Modularizarea instalaŃiei

Metoda de echilibrare TA fiind derivată din metoda compensată, la fel ca şi aceasta, presupune că instalaŃia este modularizată.

Un modul este format din mai multe circuite conectate la aceleaşi conducte de ducere, respectiv întoarcere, unde fiecare circuit este prevăzut cu o vană de echilibrare proprie. Modulul are o vană de echilibrare comună tuturor circuitelor denumită vană PARTENER (Asociat).

Figura 8.1 Exemplu de modul recunoscut de metoda TA

Figura 8.2 Modul-coloană format din mai multe module mai mici


3

1.3. Pregătirea aplicării procedurii

Având în vedere faptul că metoda de echilibrarea TA este un program pentru calculator care include diverşi algoritmi de calcul, pentru a fi aplicată, aceasta solicită numerotarea vanelor într-o anumită ordine care se respectă în toate modulele “fii”, modulele “părinŃi” etc. Prima vană după vana partener poartă numărul 1, iar celelalte vane sunt numerotate în ordine crescătoare după cum este indicat în figura 8.1.

În timpul executării măsurătorilor, presiunea diferenŃială ∆H la intrarea modulului trebuie să fie menŃinută constantă. Valoarea acesteia nu este foarte importantă, exceptând cazul în care este prea redusă pentru a permite măsurători precise. Ca o consecinŃă, coloanele care nu au fost echilibrate şi care pot produce supradebite (overflow, debite în exces) cu valori mari trebuie izolate. Vana partener a modulului care este echilibrat trebuie menŃinută deschisă pe toată durata executării procedurii. Se urmăresc următoarele faze preliminare: 1. Se alege arbitrar coloana care se doreşte a fi echilibrată şi se deschide total vana de echilibrare

a acesteia (vana partener); 2. Se izolează celelalte coloane. Această măsură este necesară numai pentru a asigura suficientă

presiune diferenŃială pe vane, presiune care să garanteze o precizie ridicată a măsurătorilor efectuate. Totuşi pentru a asigura o funcŃionare stabilă a pompei, este recomandat un debit de circulaŃie de aproximativ 20% din debitul de proiect, astfel încât una sau mai multe coloane pot fi menŃinute deschise;

3. Pe coloana selectată se alege arbitrar o ramură reprezentând un modul care trebuie echilibrat; 4. Vana partener a modulului selectat se deschide total (de exemplu, pentru un STAD 4 rotaŃii

complete relative la poziŃia total închis); 5. Pentru a asigura suficientă presiune diferenŃială pe vanele din modul, acestea pot fi deschise

aproximativ la jumătate (2 rotaŃii pentru un STAD) sau, dacă există calculate, la valorile de presetare.

1.4. Echilibrarea terminalelor unei ramuri

Pentru fiecare vană din modulul selectat se aplică următoarea procedură de lucru, care este asistată pas cu pas şi de către instrumentul CBIII pentru a facilita operaŃiile: 1. Se introduce numărul de identificare al vanei (1, 2, 3…etc.); 2. Se declară tipul vanei, dimensiunea şi setarea actuală (STAD, DN 25); 3. Se introduce valoarea debitului de proiect; 4. Se introduce setarea actuală a vanei (de exemplu, 2 rotaŃii); 5. Se efectuează o măsurătoare automată a debitului; 6. La indicaŃia aparatului se închide complet vana de echilibrare; 7. Se execută automat o măsurătoare a presiunii diferenŃiale pe vana total închisă; 8. La indicaŃia aparatului se deschide vana pe poziŃia anterioară.

După ce toate vanele din modul au fost măsurate, instrumentul CBIII solicită închiderea totală a vanei partener, efectuează o măsurătoare a presiunii diferenŃiale pe vana total închisă, după care solicită redeschiderea acesteia.

După ce toate aceste operaŃiuni au fost încheiate, instrumentul computerizat este în măsură să calculeze poziŃia roŃilor de manevră ale vanelor de echilibrare din modul.

Se ajustează vanele conform rezultatelor obŃinute şi se blochează pe aceste poziŃii.


4

OBSERVAłIE: În această primă fază a echilibrării instalaŃiei, debitele dorite încă nu se obŃin! Scopul va fi

atins mai târziu, după ce şi vana parter a modulului va fi ajustată pentru obŃinerea valorii corecte a debitului.

1.5. Echilibrarea ramurilor unei coloane

După ce toate modulele de pe o coloană au fost echilibrate la nivel individual, în etapa a doua acestea trebuie echilibrate între ele.

Fiecare modul (ramură a coloanei) este privit la rândul lui ca o unitate terminală având ca vană de echilibrare vana partener a modulului. Vana de echilibrare a coloanei primeşte rol de vana partener pentru noul modul creat.

De exemplu, scopul procedurii de echilibrare pentru modulele coloanei din figura 8.3 este determinarea setărilor pentru vanele partener ale modulelor 1, 2 şi 3.

La nivel de coloană, procedura de echilibrare este similară celei descrise în secŃiunea 1.4, cu respectarea unor faze preliminare din secŃiunea 1.3, dar de această dată aplicată unui modul (vezi în special debitul de proiect care uzual este egal cu suma debitelor prin unităŃile terminale componente ale modulului respectiv) şi vanei partener a coloanei.

Figura 8.3 Echilibrarea modulelor unei coloane

1.6. Echilibrarea coloanelor de pe distribuŃia principală

În momentul în care toate coloanele au fost echilibrate la nivel individual, fiecare dintre acestea poate fi privită ca şi un modul, iar rolul de vană parter ale acestora este primit de vana principală de echilibrare a instalaŃiei (v. figura 8.4).

Coloanele se echilibrează între ele urmând aceeaşi succesiune de operaŃii prezentată în secŃiunea 1.4, iar în final debitul total este reglat de vana principală de echilibrare. La încheierea acestor etape, toate debitele în instalaŃie cel puŃin d.p.d.v. teoretic trebuie să fie egale cu cele de proiect.


5

Precizia practică de obŃinere a cestora a fost discutată anterior şi dacă aceasta este în jurul valorii de ±10% pentru încălzire respectiv ±15% pentru răcire, rezultatul se consideră acceptabil.

Figura 8.4 Modulul final al instalaŃiei alcătuit din toate coloanele

1.7. ObservaŃii finale

Metoda de echilibrare TA (TA-BALANCE) are toate avantajele metodei compensate şi în plus, un om cu un aparat poate echilibra singur o instalaŃie. Este metoda cea mai rapidă şi cea care solicită cel mai mic efort din partea persoanei care realizează echilibrarea.

Datele şi rezultatele stocate în CBIII pot fi extrase şi tipărite prin intermediul unui calculator personal şi a software-ului de comunicaŃie livrat împreună cu instrumentul.

De asemenea, pentru reducerea şi mai mult a timpului consumat cu echilibrarea instalaŃiei, aceasta poate fi pregătită la birou pe calculator şi apoi datele caracteristice ale acesteia (număr de module, număr de vane în modul, tipul, dimensiunea şi debitul de proiect ale acestora) să fie încărcate în CBIII. În momentul aplicării metodei de echilibrare TA, trebuie efectuate practic doar măsurătorile, instrumentul computerizat recunoscând modulele şi vanele după descrierea care a fost făcută anterior.

Vana principală de echilibrare a instalaŃiei indică presiunea reală în exces (suprapresiunea) existentă. Această informaŃie este valoroasă, deoarece în cazul unei pompe cu turaŃie constantă poate fi schimbat rotorul sau instalaŃia să fie echipată cu o pompă mai mică, iar în cazul unei pompe cu turaŃie variabilă turaŃia poate fi scăzută pentru a reduce înălŃimea de pompare. Toate soluŃiile duc către o exploatare economică a instalaŃiei, cu costuri de pompare reduse.

Dacă se utilizează o pompă cu turaŃie variabilă, teoretic vana de echilibrare principală nu mai este realmente necesară. TuraŃia maximă a pompei se stabileşte astfel încât să fie obŃinut debitul de proiect într-o vană partener a unei coloane, iar restul debitelor vor fi aduse automat la valoarea de proiect.

introducere - users.utcluj.rousers.utcluj.ro/~bacotiu/notecurs_ch.pdf · formule pentru calculul...

Documents