Mucho más que un accesorio de bronce de cañón
Mezclador de cuatro vías como integrador decisivo del sistema
Lleva más de una década en el mercado, sus beneficios y su eficiencia económica son indiscutibles, pero aún falta una aceptación generalizada. Quizás sea porque la sofisticada lógica de control y la tecnología de mezcla del mezclador de cuatro vías "rendeMIX" es un punto de venta único. Y por ello recibe poca atención en la formación y la literatura. El fabricante tiene que ocuparse él mismo de la penetración en el mercado en cursos y seminarios. DKZ se sentó en el pupitre de la escuela.
"El principal problema de la carga y descarga convencionales de los acumuladores intermedios, es decir, la carga y descarga habituales en una sola zona, es la mezcla. Esto limita considerablemente la cantidad de calor que puede aprovecharse eficazmente.
Imagen 1: Würzburg, verano de 2013.
Simplemente no se puede evitar que el agua que entra y sale del recipiente provoque una circulación que reduzca la temperatura en la zona caliente y la aumente en la zona fría del fondo. La ventaja de la carga y descarga en dos zonas con el "rendeMIX" es que el agua caliente, fría y mezclada -agua mezclada mediante la utilización del retorno- sólo entra y sale de sus zonas respectivas. En el centro del amortiguador se crea una especie de escudo de seguridad. Esto estabiliza la separación entre la mitad superior caliente y la mitad inferior fría de la caldera. Se mantiene la estratificación".
Hans-Georg Baunach explica las ventajas energéticas e hidráulicas del mezclador multipuerto "rendeMIX". Localización: Würzburg, a finales del verano del año pasado. Ocasión: Seminario sobre hidráulica organizado por HG Baunach GmbH & Co. KG. Tema: Aumento de la eficiencia de los sistemas de calefacción. "La eficiencia es el resultado del trabajo armonioso de varios componentes dentro de un sistema. El principio "rendeMIX" le ayuda a configurar sistemas de calefacción eficientes. El seminario revela el potencial de eficiencia latente en los sistemas de sus clientes - y cómo puede darle vida."
Uso versátil
Precisamente por eso, los 16 maestros artesanos aceptaron la invitación y viajaron a Würzburg. Hace unos 15 años, el La compañía Baunach de Hückelhoven, en la orilla izquierda del Rin llamó la atención por primera vez con su tecnología de control especial.
Figura 2: 240% en lugar de 100% de almacenamiento de calor en el tampón de 100 litros, resultado de la prueba Universidad de Ciencias Aplicadas de Biberach
En aquella época, la idea era conectar un circuito de alta temperatura (radiadores) en serie con un circuito de baja temperatura (suelo radiante). Este esquema es habitual en las viviendas unifamiliares de muchas regiones de Alemania. El proceso patentado convierte el flujo de retorno del circuito de alta temperatura en el flujo de la calefacción por suelo radiante, aunque circulen cantidades de agua completamente diferentes. Las secciones de compensación internas en el mezclador de cuatro vías y la estructura de mezcla -la tecnología utiliza diferentes niveles de temperatura para una mezcla precisa y de bajo consumo de la temperatura de flujo- resuelven esta tarea de conmutación, que es casi imposible de lograr manualmente (Fig. 2).
"Pero eso no significa que haya que hacer un curso avanzado de termodinámica para entender el aparato. Hace la mayor parte del trabajo por sí mismo. Se controla automáticamente utilizando sólo las temperaturas. No hay que ajustar ningún caudal volumétrico. Lo único que hay que hacer en este curso es entender la filosofía", dice el ponente, disipando cualquier temor a un exceso de teoría.
Entretanto, la gama de aplicaciones se ha ampliado notablemente, lo que se nota en las ventas del herraje. Empresas instaladoras innovadoras utilizan el componente en diversos sistemas. En primer lugar, por supuesto, para acoplar un circuito de alta y otro de baja temperatura. En segundo lugar, para cargar cilindros amortiguadores de dos zonas. En este caso, el rendeMIX garantiza el mantenimiento de la estratificación en el cilindro durante el mayor tiempo posible. En tercer lugar, carga y descarga los tanques de forma similar al desarrollo Baunach, con lo que el tiempo de funcionamiento (horas de uso anuales) de los sistemas solares y las pequeñas unidades de cogeneración se amplía de forma económica.
Tiempo de funcionamiento de la caldera duplicado
Figura 3: Principio de mezcla en sistemas de doble circuito
Pregunta al público: "¿Con qué frecuencia hay que recargar una caldera de leña?". "A los dos días como máximo". "Sí, y por eso sus clientes no pueden irse de fin de semana. El mezclador de aquí más o menos duplica la comodidad de una caldera de leña. El generador de calor no quema su carga en dos días, como solía hacer, pero el 'rendeMIX' utiliza el volumen de almacenamiento del tampón tan hábilmente que los sensores de control de aire primario informan de que 'aún no hay necesidad de calor'. La caldera calienta durante cuatro días en modo económico. La familia puede ir a esquiar el fin de semana en invierno sin tener que volver a un piso frío el domingo por la noche ni tener que llamar a los vecinos. Esto se ha confirmado varias veces". (Imagen 3)
El jefe de la empresa explica de forma convincente la ganancia de dos días mediante el diagrama de flujo que se encuentra en el interior de la carcasa de bronce de cañón.
Figura 4: Cantidad de condensado y rendimiento de las calderas de condensación de gas en función de la temperatura de retorno (Imagen: Ruhrgas AG)
Su público escucha atentamente. Hans-Georg Baunach sabe cómo presentar el tema, en realidad árido y complicado, de la "hidráulica" de forma viva, entretenida y comprensible. Los gestos y la dicción hacen que la teoría sea casi visible.
Y, por supuesto, los puntos débiles de la tecnología de instalación convencional: "No importa cuánto calor contenga el cilindro amortiguador, sino qué beneficio aporta. Diferenciamos entre exergía valiosa y anergía menos valiosa.
Un acumulador mixto no sólo está demasiado frío para proporcionar agua potable o de baño satisfactoria, con el resultado de que la caldera tiene que ciclar innecesariamente a menudo, sino que también está demasiado caliente al mismo tiempo para poder absorber el calor solar, por ejemplo: una doble pérdida". El daño reside en desperdiciar el calor (solar) y la capacidad disponibles.
La física decisiva
Una regla general recorre el evento de cinco horas en variaciones:
Figura 5: Aprovechamiento del retorno en la tecnología de calderas de condensación: separador hidráulico y bomba de radiador ahorrados más un 8% más de rendimiento (según la figura 4)
"Recuerde: 1 kWh corresponde aproximadamente a 1 m3 Agua de almacenamiento x 1 Kelvin Delta T". Un delta T de 10 Kelvin o grados Celsius permite que un tampón con 1 m3 volumen de 10 kWh. "Cuanto mayor sea el delta T, mayor será la capacidad en un sentido u otro. Por tanto, cuanto menor sea la temperatura de retorno, más pequeño puede ser el acumulador. En la tabla se puede ver el tamaño que debe tener un acumulador que vaya a suministrar 15 kW durante 8 horas, en función del delta T". Con "rendeMIX", el acumulador del ejemplo puede ser dos tamaños más pequeño.
La grifería se esfuerza por conseguir una elevada dispersión de la temperatura con el fin de lograr diseños más compactos o aumentar la capacidad de almacenamiento de la potencia instalada. La Universidad de Ciencias Aplicadas de Biberach ha calculado en qué medida la carga y descarga en dos zonas con aprovechamiento del retorno, que es posible gracias al principio de mezcla, genera un rendimiento adicional. Allí se puso a prueba un acumulador intermedio de 1.000 litros. Servía a una unidad de cogeneración con una temperatura de impulsión de 90 °C. Con una temperatura de retorno del circuito de alta temperatura de 50 °C, se calculó una capacidad teórica de almacenamiento de 47 kWh. Sin embargo, en realidad sólo se podían extraer 17 kWh con la conexión estándar del accesorio de extracción (descarga de una sola zona): En este caso, la capacidad teórica se reduce en un factor de 2,7.
Resultados de la Universidad de Ciencias Aplicadas de Biberach
Figura 6: Aumento casi nulo del poder calorífico con 43 °C de temperatura de retorno de la tecnología de mezcla convencional
La Universidad de Ciencias Aplicadas de Biberach ha demostrado que la razón de este bajo rendimiento es la inevitable mezcla en el acumulador intermedio con la carga convencional. Esto reduce considerablemente la cantidad de calor aprovechable, ya que destruye la estratificación. En la segunda parte de la prueba, los supervisores cambiaron la estrategia de carga al modo operativo de carga y descarga de dos zonas con el rendeMIX. Ahora los actuadores no mezclaban agua caliente con fría, sino caliente con templada y -en función de la especificación del punto de consigna- templada con fría. El lado de carga era tal que la zona de acumulación superior sólo recibía agua caliente y, por tanto, se calentaba más rápidamente, mientras que la zona inferior permanecía fría durante más tiempo. Para la descarga, el sistema de control primero extraía calor de la zona de acumulación inferior desde la conexión del cilindro central. Esto hizo que se enfriara más rápidamente. Como resultado, la zona superior del pulmón permaneció a un nivel de temperatura elevado.
Resultado: la capacidad efectiva de almacenamiento aumentó en torno a un 60%, pasando de 17 kWh a 27,4 kWh. Si se optimizara la ubicación de los sensores en el acumulador que conectan y desconectan la unidad de cogeneración, el rendimiento del acumulador útil en el caso de Biberach podría aumentar entre un 30 y un 50 por ciento más (Figura 4).
Hans-Georg Baunach resume la conclusión del Informe Biberach con sus palabras: "El principio de mezcla se explica de forma muy sencilla. Imagínese que tiene un cubo con agua a 55 grados y otro con agua a 45 grados. Puede verterlos juntos para obtener dos cubos de agua a 50 °C. Ahora coge dos cubos de 30 °C y 70 °C y mézclalos para hacer dos cubos de 50 °C. Por ese lado no se gana nada. La única diferencia es que en el primer caso dispones de un máximo de 55 °C y en el segundo de 70 °C. Si necesitas una temperatura de impulsión de 65 °C en algún lugar en invierno, de poco te servirán la baja Delta T o los 45 °C de la bombona. La caldera tiene que recalentarse. A 70 °C, puede recurrir a la botella. Este es el "pensamiento" que hay detrás del rendeMIX".
La diferencia con el acumulador estratificado
Como era de esperar del ponente, en algún momento se plantea la pregunta habitual: "¿En qué se diferencia un sistema de almacenamiento estratificado de su proceso, señor Baunach?".
Respuesta sencilla: "El mío funciona". El acumulador estratificado ideal, dice el promotor, es igual de bueno en principio. La única diferencia es que se hace hincapié en la estratificación ideal, es decir, limpia. Sin embargo, esto apenas es posible con los controles de aletas y otros trucos. "El 'rendeMIX', en cambio, toma el agua de almacenamiento templada del centro de la descarga de una sola zona, entre caliente arriba y fría abajo, y la mezcla con la ida o con el retorno. Dependiendo de la situación, tiene más sentido desde el punto de vista energético enfriar agua templada en lugar de agua caliente o calentar agua templada en lugar de agua fría (de retorno)". Además, esta forma de descarga desde el centro del acumulador estabiliza las zonas caliente y fría.
Descripción funcional
La patente rJET 3×4 con sus tres conexiones garantiza una estratificación óptima en el acumulador intermedio durante la descarga, ya que primero alimenta el flujo de retorno de los radiadores a la separación del sistema de calefacción por suelo radiante antes de acceder al flujo de la caldera caliente. Esto significa que no se necesita ni un separador hidráulico ni una bomba adicional antes de la separación del sistema. La válvula de rebose integrada mantiene constante la presión diferencial a través de la separación del sistema en unos 60 mbar. El excedente más caliente del retorno del radiador se devuelve al centro del tampón por separado del retorno frío del circuito de suelo. El acumulador se mantiene caliente durante más tiempo en la parte superior y se enfría más rápidamente en la parte inferior, lo que aumenta tanto el rendimiento solar como el confort del agua caliente. Las ventajas de un vistazo:
- Instalación sencilla gracias al montaje compacto
- Hasta un 100% más de rendimiento solar gracias a la zona fría del cilindro amortiguador
- Hasta un 100% más de confort de agua caliente gracias a la zona caliente del acumulador intermedio
- No se necesitan interruptores ni bombas adicionales en el circuito de calefacción y antes de la separación del sistema
El aprovechamiento clásico del retorno no sólo es beneficioso cuando se conecta un circuito de baja temperatura con otro de alta temperatura. Los retornos fríos y los flujos de menor volumen optimizan la eficiencia de las calderas de condensación, los sistemas solares, las bombas de calor, las estaciones de transferencia y las redes de distribución. La condensación también produce "agua de lavado": esto reduce la suciedad y la corrosión en el lado de los gases de combustión del intercambiador de calor de condensación, aumentando así su vida útil. Esto también se ha demostrado.
¿Cuándo comienza el aumento de la condensación?
Hablando de condensación. Pregunta: "¿Qué cantidad de condensación se produce a una temperatura de retorno de 50 °C?". El auditorio se resiste a dar una cifra en mililitros. Pero probablemente bastante, dado que el punto de rocío del gas natural se sitúa justo por debajo de los 60 °C. "Nada, cero, sólo gotea a unos 47 °C. La temperatura teórica del punto de rocío de 58 °C no tiene en cuenta ningún exceso de aire, que utilizamos regularmente, y también hay que tener en cuenta el delta T necesario en el intercambiador de calor de condensación entre los gases de combustión y el flujo de retorno".
Los diagramas de Ruhrgas AG se iluminan en la pantalla a través de Power Point. El primero muestra que el punto cero de condensación se encuentra a 48 °C de temperatura de retorno. También muestra que, a 45 °C, sólo transpiran unos escasos 30 gramos de agua por kilovatio hora, de los 110 gramos posibles con un caudal de retorno de 20 gramos. Con "rendeMIX", la temperatura de retorno de la calefacción debería estabilizarse en 30 °C o 90 gramos de condensado por 1 kWh. "Y esto aumenta el rendimiento de la caldera en un 8% en comparación con 50 °C. No lo he calculado yo, lo dice Ruhrgas", afirma el ponente Hans-Georg Baunach.
Figura 7: Prueba a largo plazo. Carga y descarga del tampón según el principio de las dos zonas
Los diagramas Ruhrgas
Figura 8: Sistema combinado de energía solar térmica y caldera de gas
El siguiente diagrama de la presentación muestra la dependencia del punto de rocío del número de aire. "No se pueden descartar las fluctuaciones en el suministro de aire por varias razones. El horno no debe producir hollín, por lo que el quemador funciona con aire sobrante, como reserva, por así decirlo. Esto también reduce el punto de rocío, como se muestra en la imagen, y, en consecuencia, la ganancia de poder calorífico. La diferencia entre los números de aire lambda 1 y lambda 2 es de 10 K, sólo para darle los valores clave, por lo que el punto de rocío baja de 58 °C a 48 °C. Y aún hay que restar los grados de dispersión necesarios en el condensador. Por lo tanto, es mejor utilizar quemadores con una relación de aire baja, por ejemplo quemadores de premezcla, para conseguir el aprovechamiento del poder calorífico incluso con temperaturas de retorno ligeramente más altas."
Figura 9: El hardware
La mitad del seminario es un curso de repaso. Desentierra cosas que se han perdido y vuelve a aclarar las conexiones. La explicación de la tecnología de enchufes en el mezclador de cuatro vías de Baunach ocupa muy poco tiempo; la atención se centra en los problemas de los sistemas de calefacción actuales. Su viabilidad económica se cuestiona cada vez más, dice, porque la relación entre el coste y el aumento de la eficiencia es apenas justificable. "Sin embargo, esto no es culpa de la tecnología ni del precio de los componentes. La causa del desequilibrio es la falta de una visión sistémica global. No hay otra forma de decirlo: limitarse a juntar piezas sin pensar en las interrelaciones hace que se pierdan muchos puntos porcentuales de aumento de la eficiencia."
Objetivo de la unidad del sistema
El principio de mezcla en cuatro direcciones contribuye de forma notable y rentable a mejorar la eficiencia del sistema en la generación de calor (utilización de calderas de condensación), la distribución de calor (acoplamiento de circuitos de alta y baja temperatura) y la eficiencia del sistema en el almacenamiento de calor (carga y descarga en dos zonas con utilización del retorno). Las calderas de gas y gasóleo y los sistemas térmicos se benefician tanto como los generadores de calor de biomasa, los sistemas de bomba de calor y los colectores solares o sus combinaciones. El nivel óptimo de eficiencia se decide fundamentalmente en el sistema. Los diagramas de circuito y los diagramas de flujo de calor presentados en el seminario ilustran por qué.
Hans-Georg Baunach resume: "Uno de los errores del pasado era conectar los retornos frío y caliente y devolverlos a la caldera juntos como una sola línea, pensando que así el quemador no tendría que alimentar tanto. Por desgracia, un circuito de este tipo bloquea la opción más eficaz de utilizar un medio más frío para recuperar mucho calor residual de un medio más caliente, posiblemente incluso el suficiente para calentar toda una sección. Y viceversa: si un caudal de 50 grados es suficiente al mediodía y el mezclador multivía sólo extrae realmente esos 50 grados, por la tarde seguirá habiendo 80 grados disponibles en el edificio procedentes de la zona superior. Si, por el contrario, el sistema de control hubiera extraído los 80 grados y los hubiera bajado a 50 grados con agua fría, la caldera tendría que recalentarse por la tarde".
www.baunach.net
Bernd Genath
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