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Válvulas de presión independientes

La nueva tecnología se ha colocado con rapidez en el mercado gracias a los múltiples beneficios que ofrece, pues aportan solución a los problemas de balanceo en sistemas hidrónicos de aire acondicionado.

La nueva tecnología se ha colocado con rapidez en el mercado gracias a los múltiples beneficios que ofrece, pues aportan solución a los problemas de balanceo en sistemas hidrónicos de aire acondicionado.

Julio Londoño

Las válvulas de presión independientes (PI, por sus siglas en inglés) comienzan a prevalecer en las nuevas construcciones y remodelaciones de Estados Unidos y varios países de Latinoamérica.

Los diseñadores vislumbran que para  2015 esta tecnología se convertirá en un estándar en la mayoría de las aplicaciones con agua helada y en sistemas de agua caliente.

Los mayores beneficios que proporcionan las válvulas PI (y la razón de su rápido crecimiento en el mercado) son el ahorro de energía y el costo de instalación que se obtiene al utilizarlas.

Estas válvulas actúan como un sistema de balanceo continuo, lo que ayuda a optimizar el uso de las bombas de agua y maximizar el desempeño de los enfriadores, reduciendo los efectos negativos del bajo delta T. Adicionalmente, las válvulas proveen un flujo constante, sin importar las variaciones en la presión del sistema, por lo que no hay necesidad de instalar una válvula de balanceo adicional. Esto no sólo permite el ahorro en materiales de instalación, sino en costos de balanceo y verificación.

Pero, ¿qué pasa cuando en un sistema no son instaladas las válvulas de balanceo? Se crean varios retos para los Técnicos de Balanceo y Pruebas (TAB, por sus siglas en inglés), que sólo pueden ser resueltos al conocer el funcionamiento de las válvulas PI.

Tipos de válvulas PI

  • Las válvulas mecánicas utilizan un regulador de presión con resorte y diafragma
  • Las electrónicas, por su parte, utilizan un medidor de flujo en conjunto con un actuador inteligente

Fig.1 Válvula de control de presión independiente (mecánica)

En las válvulas mecánicas, la combinación resorte-diafragma reacciona a cualquier cambio en la presión y posiciona el regulador de agua para restringir el flujo, lo que garantiza que cualquier modificación en la presión no incrementará el flujo. El regulador también ayuda a mantener la Presión Diferencial (PD) constante a través de la válvula.

Las válvulas electrónicas miden el flujo de forma directa, a través de un algoritmo de control que reside en el actuador inteligente; se reposicionan para mantener el flujo deseado en todo momento.

Todas las válvulas PI, tanto mecánicas como electrónicas, requieren una presión diferencial mínima, que generalmente es 5 PSI, para operar con dicha independencia. En el caso de las mecánicas, este diferencial de presión sirve para cargar el resorte y diafragma. En el caso de las electrónicas, éste garantiza el flujo mínimo requerido por el sensor. Si las válvulas mecánicas operan por debajo del mínimo, el regulador de presión se vuelve inoperante, lo que causará que la válvula se comporte como una válvula dependiente de presión. En el caso de las electrónicas, las lecturas de flujo no serán precisas.

También existe un máximo de presión diferencial, que normalmente es 50 PSI. Cuando se excede este valor en el sistema, en las válvulas mecánicas se creará un sobre-estrés en el diafragma, lo que puede dañar el regulador. Con las válvulas electrónicas, la lectura de flujo sale de rango, lo que genera un control inadecuado.

Se deben tomar en cuenta ciertas consideraciones una vez que se ha instalado un sistema de este tipo. Cuando se verifica un sistema con válvulas PI, una de las tareas que requiere realizar el Técnico de Balanceo y Pruebas es comprobar que las válvulas estén operando en el rango adecuado de Presión Diferencial. Si las válvulas están trabajando por debajo de tal rango, las lecturas de flujo se vuelven inestables. Algunos reportes de válvulas PI mencionan que no controlan adecuadamente, esto se debe a la baja PD.

Este fenómeno es más notorio en las válvulas que se encuentran más alejadas de la bomba, cuando existe aire en el sistema, o bien, cuando las válvulas de bypass están completamente abiertas. Una vez que la mínima PD se obtiene en cada una de las válvulas, no hay necesidad de volver a modificar la velocidad de la bomba. Todas las válvulas proveerán el flujo de diseño, independientemente de la presión en el sistema. Es entonces cuando los técnicos de balanceo se podrán enfocar en la verificación del flujo en las válvulas y no deberán preocuparse más por manipularlas o la velocidad de la bomba. Éste es el beneficio más grande para ellos, ya que, en un sistema de presión dependiente, el arreglo típico consiste en una válvula de balanceo en serie con la de control dependiente de la presión (de globo, de bola, de zona, etc.)

Normalmente, las válvulas de balanceo tienen un orificio calibrado o un tubo venturi que les permite medir la Presión Diferencial y obtener el flujo. El flujo se obtiene de medir la Presión Diferencial y el Cv de la válvula, o utilizando tablas de flujo/PD provistas por los fabricantes.

En un sistema con válvulas PI esta opción no se utiliza. El flujo nivel de la unidad se verifica utilizando métodos que consideran la delta T del agua, la delta T del aire, o bien, por caída de presión del serpentín. Cuando se utiliza el método delta T del agua, la unidad manejadora necesita trabajar bajo el aire de suministro y considerar las condiciones de diseño del sistema de agua. Dichas condiciones deben ser verificadas con base en la documentación del proyecto.

Es muy importante verificar que la temperatura del agua de suministro y la tasa de flujo de aire de suministro sean estables antes de tomar cualquier medición, ya que esto garantizará la precisión requerida. Una vez que las condiciones de diseño han sido verificadas, se mide la temperatura de retorno utilizando el método delta T. La lectura deberá corresponder al valor de diseño. De no ser así, el flujo de la válvula deberá ser ajustado. El flujo correcto se logrará cuando la temperatura del agua de retorno sea igual a la de diseño.

El método delta T del aire utiliza el mismo procedimiento, pero el flujo se verifica al medir la temperatura de aire de descarga.

El procedimiento de caída de presión consiste en medir la PD o la caída de presión a través del serpentín; en este caso, no hay necesidad de verificar las condiciones de diseño. Es similar al método del venturi, pero se utiliza el serpentín como el dispositivo calibrado. El flujo se calcula mediante el contraste de la caída de presión versus las curvas de flujo provistas por el fabricante del serpentín. Éste es el proceso preferido ya que es más práctico y preciso. Cabe mencionar que ahora cobra validez la recomendación de los fabricantes de serpentines y de válvulas PI de instalar puertos PT a cada lado del serpentín (puertos 1 y 2 en la siguiente figura), lo que permitirá un mejor proceso de commissioning y verificación del sistema.

Fig. 2 Instrumentación de un equipo con válvulas independientes de presión

Se recomienda instalar un tercer puerto PT a la salida de la válvula PI (puerto 3 en la figura). El propósito de este puerto es verificar que la válvula se encuentre trabajando en el rango adecuado de diferencial de presión. Algunas válvulas PI se fabrican con puertos PT integrados. Estos puertos cumplen la misma función que los puertos 2 y 3 de la figura; su único propósito es verificar la operación de la válvula, no el flujo.

A diferencia del orificio calibrado o del venturi de las válvulas de balanceo en sistemas dependientes de presión (con geometrías definidas y diseñados específicamente para obtener lecturas de presión precisas), el cuerpo de la válvula PI no está diseñado para obtener cálculos del flujo a través de su caída de presión. La razón es la compleja geometría que guarda la válvula y las partes móviles que contiene, incluyendo el regulador. Éste se mueve cuando hay cambios de presión y turbulencia en el cuerpo, haciendo que las mediciones cambien constantemente y se encuentren fuera de cualquier tolerancia aceptable.

El error de utilizar el puerto PT integrado en la válvula puede acarrear una gran frustración en campo. Es recomendable entonces familiarizarse con los procedimientos de balanceo de agua en su país o región. Actualmente, existen medidores de flujo ultrasónicos muy populares, su precio ha bajado considerablemente y ofrecen los mejores resultados; son fáciles de usar,  configurar y rápidos de instalar.

La industria del aire acondicionado ha experimentado cambios similares a los de las válvulas PI en el lado de aire, donde los Sistemas de Volumen Variable (VAV, por sus siglas en inglés) han tenido innovaciones con las cajas VAV independientes de la presión, que utilizan sensores de flujo.

Hoy en día, balancear un sistema de estas características requiere de herramientas electrónicas sofisticadas. A pesar de que la tecnología es avanzada, no son complicadas o de precio excesivo. Los dispositivos de balanceo de aire electrónicos son ya un estándar en la industria. La evolución de estos instrumentos ha llevado a la adopción de dispositivos electrónicos cada vez más avanzados. Algunos, incluso, utilizan computadoras para desplegar y procesar la información. Con el desarrollo de componentes de control especializados, los dispositivos de verificación de los sistemas hidrónicos llevarán la misma tendencia que los de aire.

Como sucede con cualquier tecnología, es necesario un poco de tiempo para aprender más acerca de las válvulas PI, una vez que se entienda su operación, ventajas y beneficios, los técnicos de balanceo, instaladores y usuarios finales verán el valor real de las válvulas de control, en comparación con aquellas que dependen de la presión.

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