A Síndrome do baixo ΔT em sistemas de água gelada normalmente  não está associada a um único fator

Introdução

O título da palestra utiliza a palavra síndrome, assim como em muitos artigos técnicos internacionais que tratam desse tema. Síndrome (do grego “syndromé“, cujo significado é “reunião”) é um termo bastante utilizado em Medicina e Psicologia para caracterizar o conjunto de sinais e sintomas que definem uma determinada patologia ou condição.

A medicina indica que uma síndrome não deve ser classificada como uma doença, indicando que no caso de uma síndrome, os fatores que causam sinais ou sintomas nem sempre são conhecidos, o que acontece (quase sempre) no caso de uma doença. A Síndrome do baixo ΔT em sistemas de água gelada segue esse conceito, ou seja, o problema normalmente não está associado a um único fator e nem sempre as possíveis causas são conhecidas ou facilmente identificadas.

Sistemas de água gelada que operam com baixo ΔT apresentam consumo de energia mais alto em função da maior potência consumida nas bombas de água gelada e, dependendo da configuração da Central de Água Gelada, da necessidade de operação de maior quantidade de chillers. As palestras apresentadas durante os Seminários sobre Sistemas de Água Gelada no Rio de Janeiro (25/03/2016) e em Fortaleza (01/04/2016), resumidas neste texto, abordam as principais causas e impactos do baixo ΔT e as ações para mitigação do problema.

Diferencial de Temperatura (∆T) no sistema de água gelada

O dimensionamento do sistema de água gelada é definido em função da sua capacidade térmica e do diferencial de temperatura do projeto. Uma vez definida a capacidade e o diferencial, as vazões de água podem ser calculadas a partir da equação do calor sensível:

q = m ∙ c ∙ ∆T

onde:

q  = capacidade térmica

m = vazão do fluido

c  = calor específico do fluido

ΔT = diferença de temperatura alimentação / retorno

Para as condições usuais de temperatura de água gelada e usando unidades métricas, a equação pode ser apresentada da seguinte forma:

(kcal/h) = (m³/h) . 1000 . (ºC – ºC)

Para melhor visualização do papel do ΔT em um sistema de água gelada, a Figura 1 apresenta um exemplo de central de água gelada (CAG) com três chillers (URA) de 180 TR e configuração hidráulica com circuito primário e secundário de bombeamento. As respectivas vazões de água gelada são indicadas na figura abaixo para dois diferencias de temperatura: ΔT = 5,5°C e ΔT = 10,0°C.

As implicações da escolha de um ΔT maior ou menor nos custos iniciais e no consumo de energia podem ser resumidas na Tabela 1. Diversos trabalhos técnicos internacionais e projetos no Brasil têm mostrado que as vantagens do uso de ΔT elevado relacionadas com tubulações e bombas superam as desvantagens com serpentinas e ventiladores (ASHRAE Journal: Optimizing Design and Control of Chilled Water Plantas – Part 3: Pipe Sizing and Optimizing ΔT – Taylor, Steven T. – December 2011).

De um modo geral, as aplicações que mais se beneficiam de um ΔT elevado são:

– Instalações com linhas de água gelada longas;

– Configuração de chiller em série;

– Termoacumulação de água gelada;

– District Cooling.

As principais limitações para uso de um ΔT elevado são:

– Instalações com quantidade significativa de fancoletes (hotéis, hospitais, pequenas salas comerciais);

– Características originais de instalações existentes (serpentinas e válvulas de controle dimensionadas para ΔT mais baixo).

Principais causas da Síndrome do baixo ∆T

As causas mais comuns encontradas em instalações de água gelada operando com baixo ΔT encontram-se listadas abaixo:

– Setpoint de temperatura ambiente baixo, fora das condições de projeto;

– Válvulas de controle inoperantes;

– Falta de calibração de sensores;

– Falta de intertravamento da válvula com o condicionador de ar;

– Vazamento em válvula de controle fechada (close-off);

– Filtro de ar sujo;

– Incrustação na serpentina (água ou ar);

– Falta de balanceamento ou rebalanceamento;

– Serpentinas mal selecionadas;

– Válvulas de controle mal selecionadas;

– Ligação hidráulica invertida do condicionador de ar;

– Substituição de condicionadores de ar e válvulas de controle sem respeitar o ΔT de projeto original;

– Temperatura de alimentação de água gelada elevada (setpoint errado, deficiência no chiller, mistura de água quente pelo bypass);

– Cargas de processo sem controle (indústria).

Impacto do baixo ∆T na operação da central de água gelada

A Figura 2 apresenta o mesmo exemplo de central de água gelada (CAG) com três chillers (URA) de 180 TR. As tabelas mostram as condições de operação em carga plena e em carga parcial para uma situação onde o ΔT de projeto é mantido. A mesma CAG operando em uma instalação com baixo ΔT leva as seguintes condições de operação conforme a Tabela 2. Na primeira coluna é apresentada a condição de carga parcial de 60% e apenas dois chillers em operação. Neste caso, diferentemente da condição anterior operando com ΔT de projeto, a CAG opera de forma deficiente, pois há circulação de água no bypass no sentido do retorno para a alimentação de água gelada, levando a uma mistura de água quente na sucção da bomba secundária e degradação das condições de fornecimento de água gelada para os condicionadores de ar.

Na segunda coluna é apresentada uma outra condição de operação com três chillers ligados para a mesma carga térmica de 60%. O problema de fluxo invertido no bypass foi eliminado em função da operação de uma maior quantidade de chillers.

Portanto, observa-se que uma CAG operando com ΔT abaixo das condições de projeto tende a apresentar as seguintes deficiências básicas:

– Maior consumo da BAGS em função da maior vazão de água gelada;

– Fluxo de água invertido no bypass levando a mistura da água mais quente do retorno pelo excesso de vazão da bomba secundária ou maior número de chillers em operação do que a demanda de carga térmica real para garantir vazão de água no circuito primário superior a do circuito secundário;

– Maior consumo de bombas primárias (BAGP), bombas de condensação (BAC) e torres de resfriamento (TRA) em função do maior número de chillers operando.

Mitigação do baixo ∆T em sistemas de água gelada

No quadro abaixo são apresentadas as principais causas e ações para mitigação da Síndrome de baixo ∆T em sistemas de água gelada:

 

Mauricio de Barros – Consultar Engenharia