Separador hidráulico para aquecimento: finalidade + esquema de instalação + cálculos de parâmetros

Os sistemas de aquecimento na sua forma moderna – são estruturas complexas, equipadas com diferentes equipamentos. O seu funcionamento eficiente é acompanhado por um balanceamento ideal de todos os elementos que os compõem. A seta hidráulica para aquecimento destina-se a garantir o equilíbrio. Vale a pena compreender o seu princípio de funcionamento, concorda?

Vamos explicar como funciona o separador hidráulico, quais as vantagens do circuito de aquecimento equipado com ele. No artigo que apresentamos, são descritas as regras de instalação e ligação. São fornecidas recomendações úteis para a operação.

Separação dos fluxos hidráulicos

A seta hidráulica para aquecimento é mais frequentemente chamada de separador hidráulico. Assim, fica claro que este sistema se destina a ser implementado em esquemas de aquecimento.

No aquecimento, presume-se a utilização de vários circuitos, por exemplo, como:

• linhas com grupos de radiadores;
• sistema de piso aquecido;
• abastecimento de água quente através de boiler.

Na ausência de uma seta hidráulica para tal sistema de aquecimento, será necessário fazer um projeto cuidadosamente calculado de cada circuito, ou equipar cada circuito com uma bomba de circulação individual.

Mas mesmo nesses casos, não há total certeza de alcançar o equilíbrio ideal.

Aproximadamente assim pode-se considerar a construção clássica dos separadores hidráulicos, feitos com base em tubos redondos ou retangulares. Uma solução simples, mas eficaz, que muda radicalmente o estado do sistema de aquecimento com a participação da caldeira

Entretanto, a tarefa é resolvida de forma simples. Basta aplicar um separador hidráulico no esquema – uma seta hidráulica. Assim, todos os circuitos que entram no sistema serão otimamente separados sem risco de perdas hidráulicas em cada um deles.

Seta hidráulica – é um nome coloquial. A designação correta corresponde à definição – 'separador hidráulico'.

Ambas as extremidades do tubo são fechadas com discos metálicos, e em diferentes lados do corpo existem tubos de entrada/saída (um par de cada lado).

A aparência natural dos produtos – separadores hidráulicos, feitos de tubo de seção retangular e circular. Ambas as opções demonstram alta eficiência. No entanto, os separadores hidráulicos baseados em tubos redondos ainda são considerados a opção mais preferível.

Tradicionalmente, a conclusão dos trabalhos de instalação do sistema de aquecimento é o início do próximo processo – teste. A estrutura hidráulica criada é preenchida com água (T = 5 – 15°C), após o que a caldeira de aquecimento é ligada.

Até que o fluido térmico seja aquecido até a temperatura necessária (definida pelo programa da caldeira), o fluxo de água é circulado pela bomba de circulação do circuito primário. As bombas de circulação dos circuitos secundários não estão conectadas. O fluido térmico é direcionado através do separador hidráulico do lado quente para o lado frio (Q1 > Q2).

Quando o fluido térmico atinge a temperatura definida, os circuitos secundários do sistema de aquecimento são ativados. Os fluxos de fluido térmico dos circuitos primário e secundários se equalizam. O separador hidráulico, nessas condições, funciona apenas como filtro e purgador de ar (Q1 = Q2).

Diagrama funcional do separador hidráulico clássico para três modos diferentes de operação da caldeira. O diagrama mostra claramente a distribuição dos fluxos de calor para cada modo individual de operação do equipamento da caldeira.

Se alguma parte (por exemplo, o circuito de piso radiante) do sistema de aquecimento atingir o ponto de aquecimento definido, a extração de fluido térmico pelo circuito secundário é temporariamente interrompida. A bomba de circulação é desligada pelo sistema automático, e o fluxo de água é direcionado através do separador hidráulico do lado frio para o lado quente (Q1 < Q2).

Parâmetros de cálculo da seta hidráulica

O principal parâmetro de referência para o cálculo é a velocidade do fluido térmico na seção de movimento vertical dentro do separador hidráulico. Geralmente, o valor recomendado não excede 0,1 m/s, em qualquer uma das duas condições (Q1 = Q2 ou Q1 < Q2).

O baixo valor da velocidade se deve a conclusões bastante razoáveis. Nessa velocidade, os detritos presentes no fluxo de água (lodo, areia, calcário, etc.) conseguem sedimentar no fundo do tubo do separador hidráulico. Além disso, devido à baixa velocidade, consegue-se formar a necessária pressão térmica.

Dois tipos estruturais de separadores hidráulicos para os quais os cálculos geralmente são realizados: 1 – por três diâmetros; 2 – por alternância de conexões. Independentemente da metodologia adotada, os parâmetros básicos dos cálculos são sempre típicos – vazão do fluido térmico pelos circuitos e o parâmetro de velocidade.

A baixa velocidade de transferência do fluido térmico facilita uma melhor separação do ar da água para posterior remoção através do purgador de ar do sistema de separação hidráulica. Em geral, o parâmetro padrão é selecionado considerando todos os fatores significativos.

Para os cálculos, é frequentemente utilizada a chamada metodologia dos três diâmetros e dos tubos alternados. Aqui, o parâmetro de cálculo final é o valor do diâmetro do separador.

Com base no valor obtido, todos os outros valores necessários são calculados. No entanto, para descobrir o tamanho do diâmetro do hidrosseparador, são necessários os seguintes dados:

• sobre a vazão no primeiro circuito (Q1);
• sobre a vazão no circuito secundário (Q2);
• a velocidade do fluxo vertical de água através da seta hidráulica (V).

Na prática, esses dados para o cálculo estão sempre disponíveis.

Por exemplo, a vazão no primeiro circuito é de 50 l/min (a partir da característica técnica da bomba 1). A vazão no segundo circuito é de 100 l/min (a partir da característica técnica da bomba 2). O valor do diâmetro da seta hidráulica é calculado pela fórmula:

Fórmula para calcular o diâmetro do tubo da seta hidráulica em função dos parâmetros de vazão do fluido térmico (vazão conforme características da bomba) e da velocidade do fluxo vertical

onde: Q – a diferença entre as vazões Q1 e Q2; V – a velocidade do fluxo vertical dentro da seta (0,1 m/s); π – a constante 3,14.

Entretanto, o diâmetro do separador hidráulico (nominal) pode ser selecionado usando a tabela de valores padrão aproximados.

O parâmetro de altura para o dispositivo de separação dos fluxos térmicos não é crítico. Na prática, a altura do tubo pode ser qualquer uma, mas levando em consideração os níveis de conexão dos tubos de entrada/saída.

Solução esquemática para o deslocamento dos tubos

A versão clássica do separador hidráulico prevê a criação de tubos dispostos simetricamente uns em relação aos outros. No entanto, também se pratica uma variante esquemática de configuração um pouco diferente, onde os tubos são dispostos de forma assimétrica. O que isso proporciona?

Esquema de fabricação do separador hidráulico, no qual os tubos do circuito secundário são ligeiramente deslocados em relação aos tubos do circuito primário. Na opinião dos inventores (e comprovado pela prática), esta variante parece mais produtiva na filtragem de partículas e na separação do ar.

Como mostra a aplicação prática de esquemas assimétricos, neste caso ocorre uma separação mais eficiente do ar, além de se obter uma melhor filtragem (decantação) das partículas em suspensão presentes no fluido térmico.

Número de conexões na seta hidráulica

A esquemática clássica determina a conexão de quatro tubulações à estrutura do separador hidráulico. Daí surge inevitavelmente a questão sobre a possibilidade de aumentar o número de entradas/saídas. Em princípio, tal abordagem construtiva não é excluída. No entanto, a eficiência do esquema diminui com o aumento do número de conexões de entrada/saída.

Vamos considerar uma possível variante com um grande número de tubos, diferentemente da clássica, e fazer uma análise do funcionamento do sistema separador hidráulico para tais condições de instalação.

Esquema do separador de distribuição multicanal de fluxos térmicos. Esta opção permite atender sistemas de maior volume, mas com o aumento do número de conexões para mais de quatro, a eficiência do sistema como um todo diminui drasticamente.

Neste caso, o fluxo térmico Q1 é completamente absorvido pelo fluxo térmico Q2 para o estado do sistema quando a magnitude da vazão para esses fluxos é praticamente equivalente:

Q1=Q2.

No mesmo estado do sistema, o fluxo térmico Q3 em termos de temperatura é aproximadamente igual aos valores médios de Tmed. que fluem pelas linhas de retorno (Q6, Q7, Q8). Ao mesmo tempo, observa-se uma diferença insignificante de temperatura nas linhas com Q3 e Q4.

Se o fluxo térmico Q1 se torna igual em componente térmico a Q2+Q3, observa-se a distribuição da diferença de temperatura na seguinte relação:

T1=T2, T4=T5,

enquanto que

T3= T1+T5/2.

Se o fluxo térmico Q1 se torna igual à soma do calor de todos os outros fluxos Q2, Q3, Q4, nesse estado as quatro diferenças de temperatura se igualam (T1=T2=T3=T4).

Sistema separador multicanal com quatro entradas/quatro saídas, bastante utilizado na prática. Para atender sistemas de aquecimento de residências particulares, essa solução é plenamente satisfatória em termos de parâmetros tecnológicos e estabilização do funcionamento da caldeira.

Nessa situação, em sistemas multicanais (mais de quatro), observam-se os seguintes fatores que exercem influência negativa no funcionamento do dispositivo como um todo:

• a convecção natural dentro do separador hidráulico é reduzida;
• o efeito da mistura natural da alimentação com o retorno é reduzido;
• a eficiência geral do sistema tende a zero.

Acontece que o afastamento do esquema clássico com o aumento do número de conexões de derivação praticamente anula a propriedade de trabalho que o separador hidráulico deve possuir.

Separador hidráulico sem filtro

A construção do separador, na qual se exclui a presença das funções de separador de ar e filtro decantador, também se distancia um pouco do padrão adotado. No entanto, com essa construção é possível obter dois fluxos com diferentes velocidades de movimento (circuitos dinamicamente independentes).

Solução construtiva não padronizada para fabricação do separador hidráulico. Difere do clássico por não ter funções de filtragem e remoção de ar. Além disso, a distribuição dos fluxos térmicos tem um esquema de transporte perpendicular, conseguindo assim um desacoplamento por velocidade.

Por exemplo, existe o fluxo térmico do circuito da caldeira e o fluxo térmico do circuito dos dispositivos de aquecimento (radiadores). Com a construção não padronizada, onde a direção dos fluxos é perpendicular, a velocidade do fluxo do circuito secundário com os dispositivos de aquecimento aumenta significativamente.

Ao longo do circuito da caldeira, ao contrário, o movimento é retardado. É verdade que esta é uma visão puramente teórica. Na prática, é necessário testar em condições específicas.

Para que serve a seta hidráulica?

A necessidade de usar a construção clássica do separador hidráulico é óbvia. Além disso, em sistemas com caldeiras, a implementação deste elemento torna-se uma ação obrigatória.

A instalação da seta hidráulica no sistema atendido pela caldeira garante a estabilidade dos fluxos (vazão do fluido térmico). Como resultado, o risco de ocorrência de golpes de aríete e picos de temperatura é completamente eliminado.

Exemplos de setas hidráulicas em execução clássica simples baseada em tubulações de plástico. Agora, essas construções podem ser encontradas até com mais frequência do que as metálicas. A eficácia da ação é praticamente a mesma que a das metálicas, mas há economia na instalação e implementação no sistema.

Para qualquer sistema de aquecimento de água comum, feito sem separador hidráulico, o desligamento de parte das linhas é inevitavelmente acompanhado por um aumento brusco da temperatura do circuito da caldeira devido ao baixo fluxo. Ao mesmo tempo, ocorre o retorno de um fluxo reverso fortemente resfriado.

Surge o risco de formação de golpes de aríete. Tais fenômenos podem levar a uma rápida falha da caldeira e reduzem significativamente a vida útil do equipamento.

Para sistemas domésticos, na maioria dos casos, as construções de plástico são adequadas. Esta opção de aplicação parece mais econômica na instalação.

Além disso, o uso de conexões possibilita realizar a montagem de sistemas de tubos poliméricos e a conexão de setas hidráulicas de plástico sem soldagem. Do ponto de vista da manutenção, tais soluções também são bem-vindas, pois o separador hidráulico instalado nas conexões pode ser facilmente removido a qualquer momento.

Conclusões e vídeo útil sobre o tema

Vídeo sobre aplicação prática: quando surge a necessidade de instalar uma seta hidráulica e quando ela não é necessária.

A importância da seta hidráulica na distribuição dos fluxos térmicos é difícil de superestimar. É realmente um equipamento necessário que deve ser instalado em cada sistema individual de aquecimento e AQS.

O principal é calcular, projetar e fabricar corretamente o dispositivo – o separador hidráulico. É o cálculo preciso que permite obter o máximo rendimento do dispositivo.

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