ES2395156A2 - Refrigeration method of internal transformation centers (cts) through underground electric channels (Machine-translation by Google Translate, not legally binding) - Google Patents
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Abstract
Description
- METODO DE REFRIGERACiÓN DE CENTROS DE TRANSFORMACION (CTs) DE METHOD OF REFRIGERATION OF TRANSFORMATION CENTERS (CTs) OF
- INTERIOR A TRAVES DE LAS CANALIZACIONES ELECTRICAS INTERIOR THROUGH ELECTRICAL CHANNELS
- SUBTERRANEAS" UNDERGROUND "
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- Campo de la invención Field of the Invention
- La presente invención se engloba dentro del campo de la distribución de The present invention falls within the field of distribution of
- energía eléctrica, y más en concreto, en la refrigeración de Centros de Transformación electric power, and more specifically, in the cooling of Transformation Centers
- de tipo interior, es decir, todos aquellos que se encuentran alojados dentro de un local Interior type, that is, all those who are housed inside a room
- o recinto cerrado (generalmente son los centros urbanos). or enclosure (usually urban centers).
- 1 O 1 o
- Sus características la hacen válida y apta para ser utilizada también en la Its characteristics make it valid and suitable for use in the
- refrigeración de otro tipo de locales de instalaciones eléctricas como Centros de refrigeration of other types of premises of electrical installations such as
- Reparto (CCRR) y Subestaciones (Sub), e incluso en otros locales técnicos como Distribution (CCRR) and Substations (Sub), and even in other technical premises such as
- Salas de Computación/Centros de Proceso de Datos que alojan gran número de Computer Rooms / Data Processing Centers that host a large number of
- dispositivos electrónicos y que requieren un elevado aporte de energía para una electronic devices that require a high energy supply for a
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- refrigeración especial continua en el tiempo. Special cooling continues over time.
- Antecedentes de la invención Background of the invention
- La distribución de energía eléctrica a nivel de Baja Tensión (BT =400 V The distribution of electrical energy at the Low Voltage level (BT = 400 V
- trifásicos -230 V monofásicos) se realiza a través de instalaciones de transformación three-phase -230 V single phase) is carried out through transformation facilities
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- denominados Centros de Transformación (en adelante CCTT) , cuya misión es la de called Transformation Centers (hereinafter CCTT), whose mission is to
- reducir la tensión de las redes que alimentan los centros urbanos (20kV, 66kV, ..) a la reduce the tension of the networks that feed the urban centers (20kV, 66kV, ..) to the
- tensión de utilización o Baja Tensión (BT). operating voltage or Low Voltage (BT).
- Los aumentos de demanda eléctrica a nivel de BT, fundamentalmente Increases in electricity demand at the BT level, mainly
- consumidores domésticos y pequeños comercios, que se han venido registrando en domestic consumers and small businesses, which have been registering in
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- los últimos años como consecuencia de un mayor uso de equipamientos de aire recent years as a result of increased use of air equipment
- acondicionado, ordenadores, monitores de video, y todo tipo de accesorios conditioning, computers, video monitors, and all kinds of accessories
- electrónicos, produce en un número importante de casos una saturación de la carga electronic, produces in a significant number of cases a saturation of the load
- de los Centros de Transformación de energía eléctrica (CCTT) que genera en of the Electric Power Transformation Centers (CCTT) that it generates in
- consecuencia mayores pérdidas de calor dentro del local del CT que es necesario consequence greater losses of heat inside the premises of the CT that is necessary
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- evacuar con medios artificiales para el mantenimiento de unas adecuadas condiciones evacuate with artificial means to maintain adequate conditions
- de entorno, fundamentalmente humedad y temperatura, en los locales que albergan of environment, mainly humidity and temperature, in the premises that house
- este tipo de instalaciones. This type of facilities.
- Se da la circunstancia agravante en la mayoría de las ocasiones, que esta The aggravating circumstance occurs on most occasions, that this
- saturación de carga coincide con las peores condiciones ambientales externas, es load saturation coincides with the worst external environmental conditions, it is
- 35 35
- decir, en momentos de alta temperatura ambiente, que dificultan aún más la say, in moments of high ambient temperature, which make the
refrigeración del local del CT y mantienen en las peores condiciones de funcionamiento a los equipos existentes en su interior. refrigeration of the CT premises and keep the existing equipment inside the worst operating conditions.
El denominado "efecto del cambio climático" supone asimismo otro agravante muy importante en las condiciones de calor que sufren los locales de los CCTT, ya que el aumento de temperaturas, tanto medias como máximas,diurnas y nocturnas, así como el incremento de número de días con mayores temperaturas, supone como es evidente un empeoramiento en las condiciones de temperatura del interior de los locales que alojan a los CCTT. The so-called "effect of climate change" also represents another very important aggravating factor in the heat conditions suffered by CCTT premises, since the increase in temperatures, both medium and maximum, day and night, as well as the increase in the number of days with higher temperatures, it is evident as a worsening in the temperature conditions inside the premises that house the CCTT.
Estas elevadas temperaturas que se alcanzan en el interior de los locales de CCTT suponen un importante problema y un grave riesgo para la función que realizan estas instalaciones. El problema importante es doble. Por una parte se reduce de forma drástica la vida útil del transformador, estimado en valores entre el 20-40% de media, con el efecto económico que supone al tener que sustituir esta máquina con antelación al tiempo teórico estimado. Por otra parte, las elevadas temperaturas interiores alcanzadas pueden suponer la desconexión por temperatura del transformador, con el consiguiente corte de servicio eléctrico a los usuarios, lo que para la empresa de distribución supone un importante perjuicio en imagen y penalizaciones económicas por incumplimiento de continuidad de suministro. Pero adicionalmente a los dos problemas indicados también supone un grave riesgo porque al alcanzarse temperaturas tan altas en el interior del local en esas condiciones de carga eléctrica elevada, todo el equipamiento interior está sometido a un "estrés" térmico muy elevado lo que supone un aumento muy importante de la probabilidad de avería con posible propagación de fuego, lo que tendría entonces consecuencias gravísimas no solo económicas sino incluso de tipo personal para las viviendas colindantes (como de hecho ya ha sucedido en más de una ocasión). These high temperatures that are reached inside the CCTT premises represent a major problem and a serious risk to the function performed by these facilities. The important problem is twofold. On the one hand, the useful life of the transformer, estimated in values between 20-40% on average, is drastically reduced, with the economic effect of having to replace this machine in advance of the estimated theoretical time. On the other hand, the high internal temperatures reached can lead to the disconnection due to temperature of the transformer, with the consequent power cut to the users, which for the distribution company represents a significant damage to the image and economic penalties for breach of continuity of supply. But in addition to the two problems indicated, it also poses a serious risk because when such high temperatures are reached inside the premises under these conditions of high electrical load, all the interior equipment is subjected to a very high thermal "stress" which means an increase very important of the probability of breakdown with possible spread of fire, which would then have very serious consequences not only economic but also of a personal nature for neighboring homes (as in fact it has already happened on more than one occasion).
Hasta la fecha este problema está siendo enfocado por las empresas de distribución de energía eléctrica con soluciones más o menos efectivas. Así pues, en la actualidad en la gran mayoría de las instalaciones la refrigeración de los centros de transformación se lleva a cabo bien mediante la convección natural por aplicación del "efecto chimenea", en ocasiones mediante convección forzada mediante la utilización de ventiladores generalmente de tipo axial ubicados en las paredes o puertas del CT y excepcionalmente, cuando las condiciones de temperatura son extremas, mediante sistemas de aire a condicionado. To date, this problem is being addressed by electric power distribution companies with more or less effective solutions. Thus, at the present time in the vast majority of facilities, the cooling of the transformation centers is carried out well by natural convection by application of the "chimney effect", sometimes by forced convection through the use of generally type fans axial located in the walls or doors of the CT and exceptionally, when the temperature conditions are extreme, through air conditioning systems.
Esta refrigeración deficiente tiene los siguientes efectos negativos: This poor cooling has the following negative effects:
- 1. one.
- En locales pequeños y mal ventilados: averías de los elementos eléctricos alojados en el interior In small and poorly ventilated premises: breakdowns of the electrical elements housed inside
- 2. 2.
- Envejecimiento prematuro de los CC.TI (principalmente del trafo) Premature aging of the CC.TI (mainly of the trafo)
- 3. 3.
- Pérdidas económicas Economic losses
- 4. Four.
- Pérdidas técnicas, aumento de la demanda eléctrica. Technical losses, increase in electricity demand.
En la actualidad hay en el territorio español unos 25.000 transformadores en locales de CCTT que requieren una refrigeración adecuada para su correcto funcionamiento y para que su vida útil sea la mayor posible. Los problemas de mantenimiento y los efectos negativos de las altas temperaturas en zonas como Andalucía suponen un coste considerable que se podrían ahorrar con el uso correcto de sistemas pasivos de refrigeración. At present there are in the Spanish territory about 25,000 transformers in CCTT premises that require adequate cooling for proper operation and for their useful life to be as long as possible. Maintenance problems and the negative effects of high temperatures in areas such as Andalusia pose a considerable cost that could be saved with the correct use of passive cooling systems.
Como se ha comentado, en los casos más extremos la solución empleada pasa generalmente por la instalación de equipos de climatización convencionales, que mediante una bomba de calor produce el enfriamiento del aire de la instalación a base de un consumo muy importante de energía y con rendimientos inferiores al 50%, penalizando el rendimiento de la propia instalación eléctrica y generando un sobreconsumo eléctrico no despreciable que produce a su vez, más contaminación y en consecuencia más calentamiento global. Todo ello sin contar además los costes de mantenimiento que requieren los sistemas de aire acondicionado y la necesidad de un control sanitario para evitar problemas como la posible acumulación de bacterias de legionella en este tipo de equipos. As mentioned, in the most extreme cases the solution used generally involves the installation of conventional air conditioning equipment, which by means of a heat pump produces the cooling of the installation air based on a very important consumption of energy and yields less than 50%, penalizing the performance of the electrical installation itself and generating a non-negligible electrical overconsumption that in turn produces more pollution and consequently more global warming. All this without taking into account the maintenance costs required by air conditioning systems and the need for sanitary control to avoid problems such as the possible accumulation of legionella bacteria in this type of equipment.
La presente invención tiene como finalidad definir un método de refrigeración sencillo, barato y sostenible al local de los CCTI, de manera que permita la evacuación del calor generado en su interior fundamentalmente por las pérdidas del transformador y las aportaciones de energía provenientes del clima cálido exterior. Su finalidad es mantener los valores de las temperaturas en el interior de los CCTI en unos márgenes no peligrosos para el funcionamiento del equipamiento eléctrico y alargando en lo posible la vida útil del transformador. Su aplicación evita el montaje de instalaciones de aire acondicionado convencional, que resultan caras, ineficientes, complejas y costosas de mantener, fáciles de averiarse, en ocasiones molestas para los vecinos por el calor que expulsan y además no respetuosas con el medio ambiente. The present invention has the purpose of defining a simple, cheap and sustainable cooling method to the CCTI premises, so as to allow the evacuation of the heat generated in its interior mainly due to the losses of the transformer and the contributions of energy from the warm outside climate . Its purpose is to maintain the values of the temperatures inside the CCTIs in non-dangerous margins for the operation of the electrical equipment and extending as much as possible the life of the transformer. Its application avoids the assembly of conventional air conditioning installations, which are expensive, inefficient, complex and expensive to maintain, easy to break down, sometimes annoying to neighbors because of the heat they expel and also not respectful of the environment.
El método propuesto tiene su base de funcionamiento en el segundo principio de la termodinámica: "La cantidad de entropía de cualquier sistema aislado termodinámicamente tiende a incrementarse con el tiempo, hasta alcanzar un valor máximo". The proposed method is based on the second principle of thermodynamics: "The amount of entropy of any thermodynamically isolated system tends to increase over time, to a maximum value."
Más sencillamente, cuando una parte de un sistema cerrado interacciona con otra parte, la energía tiende a dividirse por igual, hasta que el sistema alcanza un equilibrio térmico, lo que en concepto básico es que la energía en forma de calor se transmite de un foco caliente a otro frío. More simply, when one part of a closed system interacts with another part, the energy tends to be divided equally, until the system reaches a thermal equilibrium, which is basically that energy in the form of heat is transmitted from a focus Warm to another cold.
Este principio se aplica de forma universal en múltiples aplicaciones, la gran mayoría relacionadas con sistemas de refrigeración: bombas de calor fundamentalmente. Dentro de estas múltiples aplicaciones existe una que puede ser utilizada específicamente para el caso de CCTT, que es el uso de tubos enterrados aprovechando las canalizaciones eléctricas por donde discurren los cables de energía que interconectan los ccncon las redes de distribución eléctricas. This principle applies universally in multiple applications, the vast majority related to cooling systems: heat pumps primarily. Within these multiple applications there is one that can be used specifically for the case of CCTT, which is the use of buried pipes taking advantage of the electrical conduits through which the power cables that interconnect the ccn with the electrical distribution networks run.
Las canalizaciones eléctricas en la gran mayoría de las empresas de distribución se construyen empleando tubos de diferentes diámetros que enterrados a profundidades variables (generalmente entre 1 y 2 m) se utilizan como medio de paso de los cables de energía eléctrica de las redes de distribución. Electrical pipes in the vast majority of distribution companies are built using pipes of different diameters that are buried at varying depths (generally between 1 and 2 m) are used as a means of passage of the electric power cables of the distribution networks.
La disposición de estos tubos en las profundidades indicadas les confiere una propiedad adicional a la inicialmente contemplada en su diseño únicamente como elemento de paso y alojamiento de cables eléctricos. Esta propiedad adicional es su aplicación como elemento válido para realizar el proceso de intercambio de calor entre el aire, que de forma forzada con el uso de un ventilador se puede hacer pasar por su interior, con el terreno a la profundidad a la que se encuentra el tubo. The arrangement of these tubes at the indicated depths gives them an additional property to the one initially contemplated in their design only as an element of passage and accommodation of electrical cables. This additional property is its application as a valid element to perform the process of heat exchange between the air, which can be forced through the use of a fan, with the ground at the depth to which it is located The tube.
Esta propiedad puede resultar extraordinariamente útil en períodos veraniegos, o en cualquier caso, en aquellos días en los que la temperatura ambiente es elevada, generalmente por encima de los 25 grados centígrados. Esto es así porque precisamente la temperatura del terreno a partir de 1,5 -2 m de profundidad resulta por lo general inferior a 25 grados centígrados en cualquier momento del año, por supuesto incluso en el período estival cuando las temperaturas exteriores pueden rondar los 35 e incluso los 40 grados centígrados. This property can be extraordinarily useful in summer periods, or in any case, on those days when the ambient temperature is high, generally above 25 degrees Celsius. This is because precisely the temperature of the terrain from 1.5-2 m deep is usually below 25 degrees Celsius at any time of the year, of course even in the summer period when outside temperatures can be around 35 and even 40 degrees Celsius.
El uso de tubos en las canalizaciones eléctricas específicamente para este fin aporta un valor añadido muy significativo a la refrigeración del local del CT al que llegan o salen las citadas canalizaciones. The use of pipes in electrical pipes specifically for this purpose provides a very significant added value to the cooling of the CT premises where the said pipes arrive or leave.
Evidentemente es en el diseño y construcción de una canalización el momento óptimo para definir un tubo para esta utilización. Resulta lo más lógico disponer este tubo en el fondo de la canalización para conseguir de este modo un doble efecto: mayor refrigeración posible y menor interacción con el resto de tubos de la canalización, tanto a efectos de separar térmicamente unos de otos como evitar influencias mutuas durante su explotación o vida de funcionamiento, gracias a la separación física vertical existente entre unas y otras. Obviously it is in the design and construction of a pipeline the optimal time to define a tube for this use. It is most logical to arrange this tube at the bottom of the pipeline to achieve a double effect in this way: greater possible cooling and less interaction with the rest of the pipes of the pipeline, both for the purpose of thermally separating one from another and avoiding mutual influences. during its exploitation or operating life, thanks to the vertical physical separation existing between them.
Pero también es posible aplicar este método en canalizaciones existentes en los que haya tubos libres de ocupación, es decir, no ocupados por cables de energía. Naturalmente en este caso es requerido que en cada una de las arquetas o registros se de continuidad al tubo seleccionado mediante la instalación de trozos de tubo unido a ambos lados del tubo cortado en el registro y sellados convenientemente para permitir el paso de aire a lo largo de todo el conducto. But it is also possible to apply this method in existing pipes in which there are pipes free of occupation, that is, not occupied by power cables. Naturally in this case it is required that in each of the boxes or registers the continuity of the selected tube is continued by installing pieces of tube attached to both sides of the tube cut in the register and conveniently sealed to allow the passage of air along of the entire duct.
No obstante, tanto en uno como en otro caso, es fundamental establecer drenajes en los puntos inferiores en cada tramo donde se produce un cambio de pendiente o inclinación, para permitir la evacuación del agua que se puede llegar a formar en dichos sumideros, fundamentalmente por condensación de la humedad presente en el aire que circula a través del interior del tubo durante el proceso de enfriamiento por intercambio de calor con el terreno. De no hacerse este drenaje, la posible formación de agua y su acumulación en estos puntos inferiores podría obstruir completamente el tubo impidiendo el paso de aire e inutilizando de este modo el método propuesto. Asimismo es crítico que el sistema de drenaje a emplear debe ser tal que evite a toda costa que el agua proveniente del exterior (filtraciones, nivel freático, etc.) pueda entrar dentro del tubo ya que además de suponer la inutilización del sistema de refrigeración podría en el caso de que la aportación de agua exterior fuera de volúmenes considerables, llegar al interior del CT objeto de la refrigeración con las consecuencias However, both in one and another case, it is essential to establish drains at the lower points in each section where there is a change of slope or inclination, to allow the evacuation of the water that can be formed in these sinks, mainly by condensation of the moisture present in the air that circulates through the interior of the tube during the process of cooling by heat exchange with the ground. If this drain is not done, the possible formation of water and its accumulation at these lower points could completely obstruct the tube, preventing the passage of air and thus rendering the proposed method useless. It is also critical that the drainage system to be used must be such that it avoids at all costs that the water coming from the outside (seepage, water table, etc.) can enter into the tube since in addition to assuming the use of the cooling system could in the event that the external water supply is of considerable volumes, reach the interior of the CT object of the refrigeration with the consequences
extremadamente dañinas (inundación) que ello podría llegar a producir en la extremely harmful (flood) that this could produce in the
instalación eléctrica. electrical installation.
Diversas son las variables que afectan al rendimiento y funcionamiento de la There are several variables that affect the performance and operation of the
utilización de tubos enterrados para refrigerar aire forzado a través de su interior: -En primer lugar la temperatura del terreno en el punto de ubicación del tubo. Obviamente a menor temperatura del terreno, mayor refrigeración del aire forzado que pasa por el tubo. Este valor depende principalmente de la profundidad de enterramiento, estando demostrado que hasta niveles de 1 m la temperatura del terreno es muy dependiente de la temperatura ambiente exterior, mientras que entre 1-5 m es bastante independiente y entre 5 y 50 m es casi totalmente independiente, resultando en estos niveles menor temperatura cuanta más profundidad. Para los dos primeros niveles, el tipo y ubicación de la superficie exterior del terreno resultan relevantes, de forma por ejemplo que un terreno en zona arbolada y sombreada y con césped, con un tono de humedad elevado; resulta en general mucho más fresca que un terreno bajo asfalto y con un nivel de insolación alto. use of buried pipes to cool forced air through its interior: -Firstly, the temperature of the ground at the location of the tube. Obviously at lower ground temperatures, more cooling of the forced air that passes through the tube. This value depends mainly on the depth of burial, being shown that up to 1 m levels the temperature of the land is very dependent on the outside ambient temperature, while between 1-5 m is quite independent and between 5 and 50 m is almost totally independent, resulting in these levels lower temperature the more depth. For the first two levels, the type and location of the exterior surface of the land are relevant, such as, for example, that a land in wooded and shaded area with grass, with a high humidity tone; It is generally much cooler than a low asphalt ground with a high level of heat stroke.
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- En segundo lugar la transmisión de calor entre el tubo y el terreno. Terrenos arcillos tienen por lo general un coeficiente de transmisión de calor inferior a terrenos calizos. De igual modo el material del tubo enterrado influye en esta transmisión, por ejemplo tubos de Al tienen un coeficiente de intercambio térmico muy superior a tubos de PVC, por las propiedades térmicas del material. Secondly the heat transmission between the tube and the ground. Clay soils generally have a lower heat transfer coefficient to limestone soils. In the same way the material of the buried tube influences this transmission, for example Al pipes have a heat exchange coefficient much higher than PVC pipes, due to the thermal properties of the material.
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- En tercer lugar la longitud del tubo, a mayor longitud mayor capacidad de intercambio de calor. Resulta obvia esta variable, pero es muy importante determinar la longitud máxima aconsejable a partir de la cual el intercambio de calor resulta ya mínimo y por tanto innecesario. Third, the length of the tube, the greater the length, the greater the heat exchange capacity. This variable is obvious, but it is very important to determine the maximum advisable length from which the heat exchange is already minimal and therefore unnecessary.
- --
- La cantidad de humedad presente en el aire que se hace pasar por el tubo. A mayor porcentaje de humedad, la temperatura de rocío aumenta, y por consiguiente durante el proceso de enfriamiento del aire en su recorrido por el tubo se generará agua. En el proceso de intercambio de calor del aire con el terreno parte de esta energía transferida se consume en producir agua, en lugar de transmitirse del aire al terreno, por lo que se reduce el The amount of moisture present in the air that is passed through the tube. At a higher percentage of humidity, the dew point temperature increases, and consequently during the process of cooling the air as it travels through the tube, water will be generated. In the process of exchanging heat from the air with the ground part of this transferred energy is consumed in producing water, instead of being transmitted from the air to the ground, so that the
enfriamiento del aire en su circulación por el tubo cuando se produce la cooling of the air in its circulation through the tube when the
condensación. condensation.
- --
- La velocidad del aire por el interior del tubo: por lo general velocidades altas generan flujos turbulentos, que traen consigo mayor rozamiento entre las moléculas de aire y la superficie del tubo y por consiguiente mayor intercambio de calor entre aire y tubo-terreno. Por el contrario, flujos laminares tienen el efecto contrario, es decir, menor intercambio de calor. En este sentido influye mucho el tipo de recorrido, tramos lineales frente a tramos con codos y variaciones de recorrido, estos últimos son mucho más eficientes en el intercambio de calor por la formación de flujo turbulento. Relacionado con este apartado resulta muy importante el diámetro del tubo, ya que para un mismo caudal de aire a menor diámetro mayor velocidad y flujo más turbulento, a mayor diámetro menor velocidad y flujo más laminar. The speed of the air inside the tube: usually high speeds generate turbulent flows, which lead to greater friction between the air molecules and the surface of the tube and therefore greater heat exchange between air and tube-ground. On the contrary, laminar flows have the opposite effect, that is, less heat exchange. In this sense, the type of route greatly influences, linear sections versus sections with elbows and variations of the route, the latter are much more efficient in the exchange of heat by the formation of turbulent flow. Related to this section, the diameter of the tube is very important, since for the same air flow at a smaller diameter, greater speed and more turbulent flow, at greater diameter, less speed and more laminar flow.
El paso de aire forzado a través del tubo enterrado es realizado por un ventilador, generalmente del tipo centrífugo para vencer las pérdidas de carga existentes en el conducto al caudal calculado para conseguir el número de renovaciones a la hora precisas para el efecto de refrigeración deseado. Este ventilador, alojado en el interior del CT que se desea refrigerar, aspirará el aire del conducto enterrado, y lo impulsará, ya enfriado a la temperatura del terreno al interior del local para refrigerar principalmente el transformador. The forced air passage through the buried tube is carried out by a fan, generally of the centrifugal type to overcome the pressure losses existing in the duct at the calculated flow rate to achieve the number of renovations at the precise time for the desired cooling effect. This fan, housed inside the CT that is to be cooled, will aspirate the air from the buried duct, and will drive it, already cooled to the temperature of the ground inside the premises to mainly cool the transformer.
Tan importante para conseguir una adecuada refrigeración del CT es el propio efecto de enfriamiento del aire conducido por el tubo de ventilación como una correcta disposición dentro del local del ventilador, el flujo de impulsión y la evacuación del aire que por sobrepresión se debe extraer del local. Por esa razón para cada caso particular en función de las características del local del CT (dimensiones, geometría, ubicación de los equipos en su interior y localización espacial del mismo) es preciso realizar un análisis concreto que optimice el proceso de evacuación del calor producido en su interior. So important to achieve adequate cooling of the CT is the effect of cooling the air conducted by the ventilation tube itself as a correct arrangement inside the fan premises, the flow of discharge and the evacuation of the air that due to overpressure must be extracted from the premises . For that reason, for each particular case, depending on the characteristics of the CT premises (dimensions, geometry, location of the equipment inside and its spatial location), a specific analysis is required to optimize the process of evacuation of the heat produced in its interior.
La presente invención tiene como objeto definir un método de refrigeración de instalaciones eléctricas, como es el caso de los ccn, efectivo, eficiente, sostenible y sin prácticamente mantenimiento alguno. The present invention aims to define a method of cooling electrical installations, such as ccn, effective, efficient, sustainable and with virtually no maintenance.
También es aplicable a cualquier otro tipo de instalación eléctrica (Sub y CR) y local técnico que aloje gran cantidad de equipamiento electrónico, como son las salas de computación o CPDs. It is also applicable to any other type of electrical installation (Sub and CR) and technical premises that host a large amount of electronic equipment, such as computer rooms or CPDs.
Para conseguir este cometido se aprovecha la energía geotérmica de muy baja temperatura que está presente en el terreno por donde discurren las canalizaciones subterráneas eléctricas, mediante la disposición de un tubo libre de cables dedicado específicamente para este fin. To achieve this task, the very low temperature geothermal energy that is present in the land where the underground electrical pipes run through the provision of a cable-free tube dedicated specifically for this purpose is used.
La solución consiste en hacer pasar un flujo de aire por este tubo enterrado en la longitud y condiciones tal que la temperatura del mismo a la salida permita la refrigeración efectiva del CT. The solution consists in passing an air flow through this buried pipe in the length and conditions such that the temperature of the same at the outlet allows the effective cooling of the CT.
Los datos que se aportan y cálculos que se realizan a continuación se concretan en el caso de los CCTT. Para otras instalaciones como las señaladas arriba, se utilizarían los datos de cada una de ellas, aplicándose el método y los cálculos iguales que para el caso de los ccn. The data provided and calculations made below are specified in the case of CCTT. For other facilities such as those indicated above, the data of each of them would be used, applying the method and calculations the same as in the case of ccn.
CALCULO DEL FLUJO DE AIRE A INYECTAR EN EL CT: CALCULATION OF AIR FLOW TO INJECT IN THE CT:
Tomaremos un caso habitual: We will take a usual case:
- • •
- Variables de partida: Starting Variables:
- o Trafo sumergido en baño de aceite, 22/0,4 kV o Trafo submerged in oil bath, 22 / 0.4 kV
- o Strafo (S=POTENCIA APARENTE) =630 kV A o Strafo (S = APPEARANCE) = 630 kV A
- o Dimensiones del local: 5x3 m2 o Dimensions of the premises: 5x3 m2
- o Carga del trafo: 70% como valor medio constante (aunque en realidad la carga responderá a una curva de carga diaria que más o menos se irá repitiendo en el tiempo). o Traffic load: 70% as a constant average value (although in reality the load will respond to a daily load curve that will be repeated over time).
- • •
- Variables calculadas: Calculated variables:
o Pérdidastrafo =Pérdidas en vacío + Pérdidas en carga o Traffic losses = Losses in vacuum + Losses in load
Pérdidas en vacío =1.300 W (según catálogo, valor típico) Vacuum losses = 1,300 W (according to catalog, typical value)
Pérdidas en carga = 6.500 W (a potencia nominal, valor típico), luego a un régimen del 70% de la nominal, las pérdidas en carga (pérdidas en el cobre) serán 6500*(0,7)2 = 3.185 W Load losses = 6,500 W (at nominal power, typical value), then at a rate of 70% of the nominal, the load losses (losses in copper) will be 6500 * (0.7) 2 = 3.185 W
Luego para este caso Pérdidastrafo = 1.300+3.185 = 4.485 W Then for this case Traffic losses = 1,300 + 3,185 = 4,485 W
o El caudal que debemos forzar para que exista una correcta ventilación se puede calcular de varias formas, emplearemos 3 de acuerdo a diferentes referencias comerciales existentes: o The flow that we must force so that there is a correct ventilation can be calculated in several ways, we will use 3 according to different existing commercial references:
-Según Método fabricante Schneider, de acuerdo a catálogo (fabricante de transformadores eléctricos y casetas para alojamiento de CCTT): Q = 0,081xP (siendo P= pérdidas en kW y Q el caudal. resultante en m3/s) = 0,36 m3/s -According to Schneider manufacturer method, according to catalog (manufacturer of electrical transformers and booths for CCTT housing): Q = 0.081xP (where P = losses in kW and Q the flow rate. resulting in m3 / s) = 0.36 m3 / s
-Según el método de S&P, de acuerdo a catálogo (fabricante de ventiladores): Q (m3/h) = Pérdidas (W) /0,34x(tinterior -texterior) Generalmente se toma la diferencia entre las temperaturas interior y exterior de 5 para ambientes calurosos y 10 para ambientes más frescos. En este caso tomaremos 10. -According to the S&P method, according to catalog (manufacturer of fans): Q (m3 / h) = Losses (W) / 0.34x (later-later) The difference between temperatures is usually taken indoor and outdoor 5 for hot environments and 10 for cooler environments. In this case we will take 10.
Q = 4.485/3,4 = 1.319 m3/h = 0,37 m3/s Q = 4,485 / 3.4 = 1,319 m3 / h = 0.37 m3 / s
- --
- Según el método de Hc Energía, de acuerdo a sus normas técnicas (empresa distribuidora de energía eléctrica), According to the Hc Energía method, according to its technical standards (electricity distribution company),
Vol = K ~~T m 3 /s Vol = K ~~ T m 3 / s
Sustituyendo resulta: Vol = 4,485/(1,085*10) = 0,41 m3/s Substituting results: Vol = 4,485 / (1,085 * 10) = 0.41 m3 / s
Tomaremos este último como valor válido (es el más desfavorable de los tres y por consiguiente el más conservador). We will take the latter as a valid value (it is the most unfavorable of the three and therefore the most conservative).
CALCULO DEL TUBO ENTERRADO BURIAL TUBE CALCULATION
El diámetro del tubo es una de las variables que tiene relativa influencia en la The diameter of the tube is one of the variables that has a relative influence on the
capacidad de enfriamiento de este método. cooling capacity of this method.
Si nos vamos a diámetros de tubo comerciales, se valorarán las siguientes opciones: If we go to commercial tube diameters, the following options will be assessed:
Diámetro interior 110 mm Diámetro interior 150 mm Diámetro interior 200 mm Diámetro interior 300 mm Inner diameter 110 mm Inner diameter 150 mm Inner diameter 200 mm Inner diameter 300 mm
Se desecha el tubo de 300 mm por "inmanejable" dado su excesivo tamaño que dificultaría enormemente su uso tanto en la propia canalización como en la llegada al CT destino, en donde sería muy complicado mecanizar una toma para ese diámetro. The 300 mm tube is discarded as "unmanageable" given its excessive size that would greatly hinder its use both in the canalization itself and in the arrival at the destination CT, where it would be very difficult to machine a socket for that diameter.
Se desestima también el tubo de 110 por la excesiva velocidad que tomaría el aire para el caudal requerido en su interior, que produciría fenómenos de ruido audible, pérdidas muy elevadas en el conducto y al mismo tiempo un fenómeno de turbulencia muy apreciable en el local del CT por la pérdida de velocidad que en tan reducido espacio debería sufrir el aire impulsado. The tube of 110 is also dismissed for the excessive speed that the air would take for the required flow inside, which would produce phenomena of audible noise, very high losses in the duct and at the same time a very appreciable turbulence phenomenon in the local CT due to the loss of speed that the driven air should suffer in such a small space.
En consecuencia el diámetro del tubo a seleccionar debe hacerse entre los valores de 150 y 200 mm, que se corresponden además con diámetros utilizados habitualmente para el paso de los cables eléctricos, lo que por otra parte simplifica y abarata los trabajos de instalación del tubo enterrado, tanto en la toma de aire a realizar, como en el recorrido del tubo como en la llegada del tubo al local del CT. Consequently, the diameter of the tube to be selected must be made between the values of 150 and 200 mm, which also correspond to diameters commonly used for the passage of electrical cables, which on the other hand simplifies and reduces the installation work of the buried pipe. , both in the air intake to be carried out, as in the route of the tube and in the arrival of the tube to the CT premises.
No obstante a la vista de las velocidades que el caudal teórico requerirla, será necesario reducir el caudal a impulsar dentro del local del CT, ya que a partir de velocidades de 15 -20 mIs se pueden producir ruidos en el paso de aire por el tubo que desaconsejarían su empleo, aunque al ir enterrado no serían audibles. Asimismo tampoco se debe inyectar el aire en el interior de la instalación a una velocidad excesiva, ya que si no se generarían turbulencias y ruidos interiores que son convenientes evitar. However, in view of the speeds that the theoretical flow would require, it will be necessary to reduce the flow to be boosted inside the CT premises, since from velocities of 15-20 mIs noises can occur in the passage of air through the tube that would advise against their employment, although when they were buried they would not be audible. Likewise, the air inside the installation must not be injected at excessive speed, since if there are no turbulence and interior noises that are convenient to avoid.
Por esta razón la elección del ventilador de impulsión del aire por la conducción For this reason the choice of the driving fan for driving air
enterrada ha de realizarse teniendo en cuenta esas dos limitaciones, pero intentando en lo posible mantenerse lo más próximo dentro de los parámetros de caudal mínimo de renovación de aire que exigiría la instalación del local del CT para la evacuación correcta del calor de pérdidas del trafo. buried must be carried out taking into account these two limitations, but trying as much as possible to stay as close as possible to the minimum air renewal flow parameters that would require the installation of the CT premises for the correct evacuation of heat from losses of the traffic.
En la tabla siguiente se presentan los resultados para este caso genérico en función de los distintos diámetros del tubo de ventilación. The following table shows the results for this generic case based on the different diameters of the ventilation tube.
Cálculo de pérdidas, caudales de ventilación y velocidades según el tubo de ventilación empleado Calculation of losses, ventilation flows and speeds according to the ventilation tube used
- Poten cia nomi nal trafo (kVA) Nominal Trap Power (kVA)
- Rég ime n de carg a Pérdi das en vacío (W Pérdid as en Cobre (a plena carga) W Pérdidas totales (al régimen de carga indicado )W Caudal requerid o (m3/s) Método Schneid er Caudal requerid o (m3/s) Método S&P Caudal requeri do (m3/s) Método HC Salt o tér mic o Diám etro del tubo (mm) Sec ción (m2) Veloci dad resulta nte (mIs) Charge Regimen Losses in a vacuum (W Copper losses (at full load) W Total losses (at the indicated loading rate) W Required flow rate (m3 / s) Schneid method er Required flow rate (m3 / s) S&P method Required flow rate (m3 / s) HC method Salt or term mic o Tube diameter (mm) Section (m2) Speed results (mIs)
- 630 630
- 70% 1300 6500 4485 0,36 0,37 0,41 10 110 0,01 O 38,221 70% 1300 6500 4485 0.36 0.37 0.41 10 110 0.01 O 38,221
- 630 630
- 70% 1300 6500 4485 0,36 0,37 0,41 10 150 0,01 8 20,554 70% 1300 6500 4485 0.36 0.37 0.41 10 150 0.01 8 20,554
- 630 630
- 70% 1300 6500 4485 0,36 0,37 0,41 10 200 0,03 1 11,562 70% 1300 6500 4485 0.36 0.37 0.41 10 200 0.03 1 11,562
- 630 630
- 70% 1300 6500 4485 0,36 0,37 0,41 10 300 0,07 1 5,139 70% 1300 6500 4485 0.36 0.37 0.41 10 300 0.07 1 5,139
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15 De acuerdo con estos resultados el diámetro más adecuado es el de 200 mm, al resultar velocidades de caudal por debajo del límite de los 20 mIs. En todo caso el tubo de 150 mm de diámetro también podría emplearse, ya que, si bien la velocidad llega al. valor límite señalado, el efecto de ruido en el exterior no sería perceptible al ir enterrados los tubos. 15 According to these results, the most suitable diameter is 200 mm, as flow rates result below the limit of 20 mIs. In any case, the 150 mm diameter tube could also be used, since, although the speed reaches. limit value indicated, the effect of noise outside would not be noticeable when the tubes are buried.
20 TUBO ENTERRADO.: DIAMETRO, MATERIAL Y EJECUCION 20 BURED TUBE .: DIAMETER, MATERIAL AND EXECUTION
Los tubos enterrados con función de paso de aire de refrigeración han de tener una sección que por una parte permita su aplicación comercial, mediante el empleo de materiales comercialmente disponibles en el mercado. Por esa razón y por motivos de manejabilidad y compatibilidad con los tubos utilizados para las canalizaciones eléctricas los diámetros de 150 y 200 mm son, "a priori", los más adecuados para este tipo de aplicaciones (tal y como ya vimos en el apartado anterior). Buried pipes with a cooling air passage function must have a section that allows commercial application on the one hand, using commercially available materials in the market. For that reason and for reasons of manageability and compatibility with the pipes used for electrical pipes, the diameters of 150 and 200 mm are, "a priori", the most suitable for this type of applications (as we saw in the previous section ).
Pero un aspecto clave de la instalación del tubo enterrado, además de su diámetro de sección interior, es el tipo de material a utilizar, lo que a su vez dependerá fundamentalmente de la longitud a instalar así como la profundidad de montaje. But a key aspect of the installation of the buried pipe, in addition to its inner section diameter, is the type of material to be used, which in turn will depend fundamentally on the length to be installed as well as the mounting depth.
Como siempre, han de tenerse en consideración las variables de contorno que pueden delimitar por imperativos legales o constructivos el valor de partida de los mismos. As always, the contour variables that can be defined by legal or constructive imperatives must be taken into account.
Así pues, en el caso de la profundidad de montaje del tubo enterrado, este valor ha de estar en consonancia con las profundidades utilizadas en las canalizaciones eléctricas. Resulta evidente que el tubo de refrigeración ha de situarse en el punto más inferior de la zanja, ya que de ese modo conseguimos la máxima profundidad que como se ha visto es muy conveniente para obtener la mínima temperatura del terreno, así como independizarse lo más posible de las condiciones ambientales exteriores. Al mismo tiempo, ubicando el tubo en la parte más baja de la canalización, conseguiremos que las posibles interferencias térmicas por los efectos de las pérdidas en forma de calor, generalmente por efecto Joule, emitidas por los conductores que discurren por estas canalizaciones le afecten lo menos posible. Las profundidades máximas de las canalizaciones habitualmente empleadas en las conducciones de redes eléctricas de distribución oscilan entre 1200 y 1600 mm. Thus, in the case of the mounting depth of the buried pipe, this value must be in line with the depths used in the electrical pipes. It is clear that the cooling tube has to be located in the lowest point of the trench, since in this way we achieve the maximum depth that as it has been seen is very convenient to obtain the minimum temperature of the ground, as well as becoming independent as much as possible of the external environmental conditions. At the same time, placing the tube in the lowest part of the pipeline, we will get the possible thermal interference due to the effects of heat losses, usually by Joule effect, emitted by the conductors that run through these pipes, affect less possible The maximum depths of the pipes normally used in the conduits of electrical distribution networks range between 1200 and 1600 mm.
En consecuencia la profundidad a la que se instalará el tubo de refrigeración oscilará por término medio entre los 1450 y 1850 mm, tratando de que en ningún momento esté a menor profundidad del primer valor. Consequently, the depth at which the cooling tube will be installed will oscillate on average between 1450 and 1850 mm, trying to ensure that at no time is it at a lower depth than the first value.
El material del tubo de refrigeración puede ser de diferentes tipos, de acuerdo a los materiales que se utilizan en los tubos comerciales. Obviamente cuanta mejor conductividad térmica tenga, mejor comportamiento de refrigeración se obtendrá y por consiguiente menor longitud de tubo se requerirá para conseguir la mínima temperatura posible (que siempre será la del terreno en la cota de profundidad por donde discurre el tubo de refrigeración). The material of the cooling tube can be of different types, according to the materials used in commercial tubes. Obviously, the better thermal conductivity it has, the better the cooling behavior will be obtained and, consequently, the shorter pipe length will be required to achieve the minimum possible temperature (which will always be that of the ground at the depth level where the cooling pipe runs).
Desde ese punto de vista el material más adecuado es el Aluminio, pero el coste de los tubos, la mano de obra de instalación y la complejidad de las uniones entre tubos, que requiere en su mayoría de soldaduras, pueden hacer poco aconsejable el uso de este tipo de material por su mayor coste. From that point of view the most suitable material is Aluminum, but the cost of the pipes, the installation labor and the complexity of the joints between pipes, which mostly requires welding, can make the use of This type of material for its higher cost.
Los tubos "a priori" más apropiados desde un punto de vista constructivo son los tubos de PVC empleados para conducciones de desagües de agua. Si bien este material tiene una conductividad térmica muy inferior al aluminio, pueden tener un buen comportamiento y ser válido para el fin deseado si la longitud existente en la canalización es suficiente. The most appropriate "a priori" pipes from a constructive point of view are the PVC pipes used for water drain pipes. Although this material has a thermal conductivity much lower than aluminum, they can have a good behavior and be valid for the desired purpose if the existing length in the pipe is sufficient.
Los cálculos realizados y las experiencias piloto ejecutadas, confirman que a partir de longitudes superiores a 75 m, el tubo de PVC se comporta razonablemente bien, lo que unido a su bajo coste, fácil instalación y ausencia en la práctica de mantenimiento, podría ser la solución más utilizada. The calculations carried out and the pilot experiences executed confirm that, from lengths greater than 75 m, the PVC pipe behaves reasonably well, which together with its low cost, easy installation and absence in maintenance practice, could be the most used solution.
Es muy importante en la ejecución de la tubería enterrada para paso de aire mantener selladas adecuadamente las uniones entre tubos para evitar entradas de agua o suciedad del exterior al interior, las que caso de producirse producirían pérdidas en el funcionamiento del mismo y con el tiempo llegado el caso su inhabilitación. No obstante, pese a este requerimiento, no se trata más que de realizar las uniones entre tubos de acuerdo a la técnica existente, sin más requerimientos adicionales, ya que de hacerse así, se consigue el efecto estanco deseado. It is very important in the execution of the buried pipe for the passage of air to keep the joints between pipes properly sealed to avoid water or dirt entering from the outside to the inside, which if they occur would cause losses in the operation of the same and with the time arrived the case its disabling. However, despite this requirement, it is not more than making the joints between tubes according to the existing technique, without additional requirements, since if so, the desired watertight effect is achieved.
DRENAJES DE AGUA DE CONDENSACION CONDENSATION WATER DRAINAGE
En verano o días de calor el paso de aire por el tubo enterrado va a producir un enfriamiento del mismo por intercambio de calor con las paredes del tubo que estarán a la temperatura del terreno (generalmente entre 20 y 22 grados centígrados, dependiendo de la profundidad y las características y condiciones del terreno). Este enfriamiento puede llegar a producir condensación de agua dependiendo del grado de humedad relativa presente en el aire. En caso de que esa condensación se produzca es necesario conseguir la evacuación del agua formada porque de no hacerlo, con el tiempo la acumulación de la misma dentro del tubo puede llegar a obturar el paso de aire, dejando el mismo inservible para la función que se persigue. In summer or hot days the passage of air through the buried tube will produce a cooling thereof by heat exchange with the walls of the tube that will be at the temperature of the ground (usually between 20 and 22 degrees Celsius, depending on the depth and the characteristics and conditions of the land). This cooling can produce condensation of water depending on the degree of relative humidity present in the air. In the event that this condensation occurs, it is necessary to achieve the evacuation of the water formed because if it does not, over time the accumulation of it inside the tube can block the air flow, leaving the same unusable for the function that is chase
Por esta razón es muy importante que en tendido del tubo se tengan en cuenta los puntos de drenaje necesarios para mantener en todo momento el tubo libre de la posible agua que de la condensación del aire se podría llegar a acumular. For this reason it is very important that the drainage points necessary to keep the tube free of any possible water that from the condensation of the air could accumulate are taken into account when laying the tube.
La ejecución de los puntos de drenaje en una tubería nueva es algo muy sencillo: basta únicamente con definir aquellos puntos del recorrido en los que por la pendiente existente en el terreno se producen cambios de inclinación de pendiente negativa (descendente) a pendiente positiva (ascendente), considerados en la dirección de paso del aire. The execution of the drainage points in a new pipeline is very simple: it is enough only to define those points of the route where changes in slope from negative slope (descending) to positive slope (ascending) occur ), considered in the direction of air passage.
Únicamente será necesario ejecutar obligatoriamente drenaje en los citados puntos de cambios de pendiente o "embudos" en los que la profundidad del mismo sea superior a la medida del radio del tubo, ya que si es inferior la acumulación de agua en el interior del tubo nunca llegará a obturar más de la mitad de la sección del tubo, considerándose en este caso válido para la función que se persigue. No obstante, lo más aconsejable siempre que sea posible es ejecutar un drenaje en todos los puntos "embudo" relevantes. It will only be necessary to execute drainage in the aforementioned points of slope changes or "funnels" in which the depth of the slope is greater than the measurement of the radius of the tube, since if the accumulation of water inside the tube is lower, never it will get to seal more than half of the section of the tube, being considered in this case valid for the function that is pursued. However, the most advisable, whenever possible, is to run a drain at all the relevant "funnel" points.
La ejecución del drenaje es muy sencilla: En primer lugar es preciso comprobar que el nivel freático está por debajo del punto identificado para ejecución del drenaje. Si esta situación no se consigue, no se puede ejecutar el drenaje porque el agua de condensación nunca saldría al exterior, por lo que habría que variar el recorrido del tubo o modificar las pendientes si es posible en este punto. En segundo lugar, considerando que la acumulación de agua por condensación es muy lenta y en cantidades pequeñas, basta con perforar en su parte inferior el tubo, con un diámetro de 1 cm y practicar en el mismo una pequeña cánula o tubo de drenaje que conectado a una válvula anti-retorno de muy poca resistencia, por ejemplo de tipo bola, que expulsará por gravedad el agua acumulada al exterior, impidiendo de este modo que el agua que pudiera existir en el exterior del tubo (por lluvias o subida temporal del nivel freático), pueda penetrar en su interior, lo que obturaría el tubo para el paso de aire y lo dejaría inservible. The execution of the drainage is very simple: First of all it is necessary to verify that the water table is below the point identified for the execution of the drainage. If this situation is not achieved, the drainage cannot be carried out because the condensation water would never go outside, so the tube path should be varied or the slopes modified if possible at this point. Secondly, considering that the accumulation of water by condensation is very slow and in small quantities, it is enough to drill in its lower part, with a diameter of 1 cm and practice in it a small cannula or drain tube that connected to a non-return valve of very low resistance, for example of the ball type, which will expel by gravity the water accumulated outside, thus preventing the water that could exist outside the tube (due to rain or temporary rise in the level water table), can penetrate inside, which would block the tube for the passage of air and leave it unusable.
Dependiendo del lugar, puede ser conveniente que en el lugar del punto de drenaje, la expulsión de agua a través de la cánula y de la válvula anti-retorno, se realice a una pequeña zona (de muy reducido volumen) ejecutada de piedras o cantos rodados de diámetro entre 2 y 3 cm, que protegidas con una malla filtrante (que impida que el terreno se mezcle con ellas), favorezcan el filtrado del agua expulsada y su absorción por el terreno. Depending on the place, it may be convenient that in the place of the drainage point, the expulsion of water through the cannula and the non-return valve, is carried out to a small area (of very small volume) executed of stones or edges rolled diameter between 2 and 3 cm, which protected with a filter mesh (which prevents the soil from mixing with them), favor the filtering of the expelled water and its absorption by the ground.
CALCULO DE LA LONGITUD DEL TUBO Y SIMULACION DE COMPORTAMIENTO TUBE LENGTH CALCULATION AND BEHAVIOR SIMULATION
Definida la sección y profundidad a la que irá el tubo enterrado, un apartado fundamental de esta solución innovadora es el cálculo de la longitud que es necesario para conseguir el fin deseado. Defined the section and depth to which the buried tube will go, a fundamental section of this innovative solution is the calculation of the length that is necessary to achieve the desired end.
La longitud es junto con la profundidad y el tipo de material empleado del tubo, uno de los valores de diseño del tubo que más influyen en su comportamiento como elemento de intercambio de calor entre el aire que se hace pasar por su interior con el terreno. The length is together with the depth and type of material used in the tube, one of the design values of the tube that most influence its behavior as an element of heat exchange between the air that is passed through the interior with the ground.
Como es de imaginar, también existirán variables de contorno que en ocasiones nos marcarán la longitud máxima a emplear. Es a partir de los datos generales de la instalación y de la obra eléctrica a realizar en cada caso de donde sacaremos la longitud máxima y mínima a ejecutar. En función de ella podremos definir el tipo de material que utilizaremos (generalmente PVC y opcionalmente si la longitud es corta Al) y se definirá el recorrido exacto. As you can imagine, there will also be contour variables that will sometimes mark the maximum length to be used. It is from the general data of the installation and the electrical work to be carried out in each case where we will obtain the maximum and minimum length to be executed. Depending on it we can define the type of material we will use (usually PVC and optionally if the length is short Al) and the exact path will be defined.
Para validar la longitud necesaria se ha desarrollado un algoritmo, en una hoja Excel que incorpora además un interface de usuario para facilitar su uso y que calcula la temperatura de salida de un flujo de aire al circular por el interior de un tubo enterrado. To validate the necessary length an algorithm has been developed, in an Excel sheet that also incorporates a user interface to facilitate its use and that calculates the output temperature of an air flow when circulating inside a buried tube.
Los datos de entrada para el cálculo son: The input data for the calculation are:
- • •
- Humedad relativa del aire; el aire en condiciones reales contiene cierta cantidad de agua en estado de vapor que tendrá influencia sobre la temperatura de salida y sobre la existencia de condensaciones interiores en el tubo. . Relative humidity of the air; The air in real conditions contains a certain amount of water in a vapor state that will influence the outlet temperature and the existence of internal condensations in the tube. .
- • •
- Presión atmosférica; junto con la humedad relativa permite calcular la cantidad de agua que contiene el aire, aunque para condiciones atmosféricas normales su influencia es escasa. Atmospheric pressure; together with the relative humidity it allows to calculate the amount of water that the air contains, although for normal atmospheric conditions its influence is scarce.
- • •
- Temperatura de entrada del aire desde el exterior. Air inlet temperature from outside.
- • •
- Caudal del flujo; que dependerá de la potencia del ventilador y de las pérdidas de carga del tubo. Flow rate; which will depend on the power of the fan and the pressure losses of the tube.
- • •
- Material del tubo; un tubo fabricado con un material que sea buen conductor de la temperatura mejorará la transferencia de calor, esto es especialmente importante con tubos de corta longitud donde sea necesario bajar la temperatura del aire en un corto espacio. Tube material; a tube made of a material that is a good conductor of temperature will improve heat transfer, this is especially important with short length tubes where it is necessary to lower the air temperature in a short space.
5 • Diámetro interior del tubo y espesor; tienen influencia sobre la resistencia que ofrece el tubo al flujo de calor y sobre la turbulencia ocasionada en el fluido al circular por su interior. 5 • Inner diameter of the tube and thickness; they have an influence on the resistance offered by the tube to the heat flow and on the turbulence caused in the fluid when circulating inside.
• Longitud del tubo; a mayor longitud la temperatura del aire se • Tube length; the longer the air temperature is
asemejará más a la temperatura exterior al tener más espacio para 10 intercambiar calor. it will more closely resemble the outside temperature by having more space to exchange heat.
- • •
- Temperatura del terreno; marca el límite hasta donde puede bajar la temperatura de salida del aire. Ground temperature; mark the limit to where the air outlet temperature can go down.
- • •
- Resistencia de ensuciamiento; tiene en cuenta la existencia de suciedad Fouling resistance; takes into account the existence of dirt
en la superficie interior del tubo que provoca una pequeña resistencia al 15 intercambio de calor. on the inner surface of the tube that causes a small resistance to heat exchange.
El cálculo de la transmisión de calor se realiza, de forma general, mediante la The calculation of the heat transmission is performed, in general, by means of
siguiente ecuación: following equation:
El área (A) puede ser calculada fácilmente conociendo las dimensiones del tubo. The area (A) can be easily calculated knowing the dimensions of the tube.
Las resistencias que actúan en este proceso se deben a la conducción del calor a The resistances that act in this process are due to heat conduction to
través de las paredes del tubo y a la convección del calor entre el aire y la pared through the walls of the tube and the convection of heat between the air and the wall
interior del tubo. La resistencia por conducción se calcula: tube inside. The conduction resistance is calculated:
, ,
,e -Ln...!... ,The n...!...
'¡'¡¡
Rconducc¡ón =--~ ktubo Conduction = - ~ ktubo
que depende únicamente de las dimensiones del tubo y del material. which depends solely on the dimensions of the tube and the material.
30 La resistencia por conducción se calcula: 30 Conduction resistance is calculated:
donde hi es el coeficiente de convección interior, que se obtiene del número 35 adimensional de Nusselt: where hi is the interior convection coefficient, which is obtained from the dimensionless number 35 of Nusselt:
AT. AT.
h¡ ·D¡h¡ · D¡
JVU=-kaire JVU = -kaire
Este número puede ser calculado a través de varias correlaciones empíricas que diversos autores han ido obteniendo a través de ensayos experimentales. Para este caso particular de flujo por el interior de tuberías en régimen turbulento, se han empleado las siguientes correlaciones: This number can be calculated through several empirical correlations that various authors have been obtaining through experimental trials. For this particular case of flow through the interior of turbulent pipes, the following correlations have been used:
0,25 0.25
• Mijeev ~ Nu =cL ·0,021·Reo.8 ·Pro,43.( :~ ) • Mijeev ~ Nu = cL · 0.021 · Reo. 8 · Pro, 43. (: ~)
Válida si 1 OE4<Re<5x1 OE6 ; UD >50 Valid if 1 OE4 <Re <5x1 OE6; UD> 50
Nu =S+0,016·Re a ·Prb a =0,88 _ 0,24 Nu = S + 0.016 · Re a · Prb a = 0.88 _ 0.24
• Notter y Sleicher ~ • Notter and Sleicher ~
4+Pr 4 + Pr
b =°,33 +°,S·e-O,6*Pr b = °, 33 + °, S · e-O, 6 * Pr
Válida si 1 OE4<Re<1 OE6 ; LID >25 Valid if 1 OE4 <Re <1 OE6; LID> 25
NU = (f /8}(Re-l000}Pr Gnielinski ~ 1+12,7·(¡/8)°,5 .(Pr 2 / 3 -1)NU = (f / 8} (Re-l000} Pr Gnielinski ~ 1 + 12.7 · (¡/ 8) °, 5. (Pr 2/3 -1)
• •
{f =[0,79·Ln(Re)-1,64r {f = [0.79Ln (Re) -1.64r
Válida si 3000<Re<10E6 Valid if 3000 <Re <10E6
Con estas correlaciones se calcula un valor de hi medio que se empleará para realizar los siguientes cálculos. With these correlations, a mean hi value is calculated that will be used to perform the following calculations.
Faltaría por conocer un dato más en la ecuación, ya fuera Q o L\T, pero ambos son en principio desconocidos ya que L\T es la diferencia entre la temperatura media del fluido y la temperatura del terreno, dependerá por tanto de la temperatura de salida que es precisamente el objetivo de cálculo de este algoritmo. It would be missing to know one more data in the equation, either Q or L \ T, but both are in principle unknown since L \ T is the difference between the average temperature of the fluid and the temperature of the ground, will therefore depend on the temperature output that is precisely the purpose of calculating this algorithm.
Las propiedades del aire se obtienen de tablas termodinámicas o se calculan a partir de la temperatura y humedad. En particular la viscosidad, conductividad y humedad de saturación se obtienen a partir de tablas de valores con los que se entra conociendo la temperatura y empleando la interpolación lineal en caso necesario. El valor del número de Prandtl y la densidad se obtiene en base a los anteriores y a la cantidad de agua The properties of the air are obtained from thermodynamic tables or are calculated from the temperature and humidity. In particular, the viscosity, conductivity and saturation humidity are obtained from tables of values with which the temperature is entered and using linear interpolation if necessary. The value of the Prandtl number and density is obtained based on the above and the amount of water
(X) mediante: (X) by:
J-l·C J-l · C
Pr=--PPr = - P
kfluido fluid
densidad = (1 + X} ( p atm )density = (1 + X} (p atm)
T· 287,04+X·461,5 T287.04 + X 461.5
Para obtener el calor Q intercambiado en cada longitud es necesario conocer la temperatura de salida, para lo cual se van haciendo hipótesis y se resuelve la ecuación: To obtain the heat Q exchanged in each length it is necessary to know the outlet temperature, for which hypothesis is made and the equation is solved:
se comprueba que el resultado obtenido coincida con esa hipótesis inicial, ya también debe cumplirse: it is verified that the result obtained matches that initial hypothesis, it must also be fulfilled:
Q= m·(hentrada -hsalida) Q = m · (input -hout)
La aproximación se realiza con el teorema del valor medio. Al introducir una temperatura demasiado baja el resultado del algoritmo será una temperatura mayor que la supuesta, y al introducir una temperatura demasiado alta se obtendrá una temperatura menor. El algoritmo prueba entonces con una temperatura media entre las dos y según el resultado que se obtenga de esta temperatura tomará otro valor por encima o por debajo de esta de forma que se va aproximando al valor correcto. Por The approximation is made with the theorem of the average value. When entering a temperature that is too low, the result of the algorithm will be a temperature higher than the assumed one, and when entering a temperature that is too high, a lower temperature will be obtained. The algorithm then tests with an average temperature between the two and depending on the result obtained from this temperature it will take another value above or below it so that it is approaching the correct value. By
defecto, las iteraciones se detienen cuando la diferencia entre el valor supuesto de salida y el valor obtenido es menor de 1 E-5 o se superan las 100 iteraciones, dando además el valor de la diferencia entre estos dos valores. By default, the iterations stop when the difference between the assumed output value and the value obtained is less than 1 E-5 or 100 iterations are exceeded, also giving the value of the difference between these two values.
El algoritmo divide la longitud total de la tubería en longitudes menores, por defecto de un metro, a lo largo de la cual se toma una temperatura media y se consideran ·constantes las propiedades del aire: densidad, conductividad, viscosidad, etc., además de la humedad. Para cada longitud es necesario calcular la turbulencia mediante el The algorithm divides the total length of the pipe into smaller lengths, by default of one meter, along which an average temperature is taken and the properties of the air are considered constant: density, conductivity, viscosity, etc., in addition of moisture For each length it is necessary to calculate the turbulence using the
10 número de Reynolds: 10 Reynolds number:
4'm4'm
¡r·D·v . Caudal'Pa,m¡R · D · v. Flow 'Pa, m
m = ___-¡----=c::.:..-____ 461,5'T{O,622 -X) m = ___- ¡---- = c ::.: ..-____ 461.5'T {O, 622 -X)
. A esta longitud se le aplican los cálculos necesarios para obtener las condiciones de 15 salida, que serán las condiciones de entrada de la siguiente longitud, almacenándose los resultados obtenidos. . The necessary calculations are applied to this length to obtain the conditions of exit, which will be the conditions of entry of the following length, storing the results obtained.
La temperatura de salida se puede calcular conociendo el valor del calor intercambiado y obteniendo la entalpía de salida mediante: The output temperature can be calculated by knowing the value of the heat exchanged and obtaining the enthalpy of output by:
20 Q=m·(hen,rada -hsalida ) 20 Q = m · (hen, rada -hout)
Con el valor de la entalpía se puede despejar la temperatura para el caso de aire húmedo sin agua líquida: With the enthalpy value, the temperature can be cleared in the case of humid air without liquid water:
25 -h =Cpaire-seco + X (,1, +Cpvapor'T ) 25 -h = Cpaire-dry + X (, 1, + Cpvapor'T)
o con condensación de agua para el caso de que X>Xs: or with water condensation in case X> Xs:
30 h = CPaire-seco + Xs{.l, + CPvapor'T)+ (X -Xs }CPagua'T 30 h = CPaire-dry + Xs {.l, + CPvapor'T) + (X -Xs} CPagua'T
Con este valor de la temperatura de salida se comprueba la temperatura de salida supuesta inicialmente para el cálculo de Q es correcta y se itera si es necesario según se explicó anteriormente. With this value of the outlet temperature, the outlet temperature initially assumed for the calculation of Q is checked and correct if necessary as explained above.
Los valores de la temperatura y humedad se van guardando y se genera un gráfico que muestra la variación de la temperatura para cada posición longitudinal del tubo y el punto a partir del cual hay agua líquida. The temperature and humidity values are saved and a graph is generated that shows the variation of the temperature for each longitudinal position of the tube and the point from which there is liquid water.
En los dibujos que se acompañan en el apartado de figuras, se incluyen resultados del algoritmo y un diagrama de bloques de su funcionamiento básico. In the accompanying drawings in the figures section, results of the algorithm and a block diagram of its basic operation are included.
TOMAS DE CAPTACiÓN Y EXPULSION DE AIRE AIR CAPTURE AND EXPULSION TAKES
Resultan de especial importancia las tomas de captación y expulsión de aire por su transcendencia de cara a la optimización del método de refrigeración. De muy poco o incluso de nada sirve refrigerar el aire a la entrada del CT si no se cumplen las condiciones que a continuación se indican en el origen y fin del tubo de refrigeración. Of particular importance are the intake and expulsion of air intakes due to their importance in order to optimize the cooling method. It is of little or even nothing to cool the air at the entrance of the CT if the conditions indicated below at the origin and end of the cooling tube are not met.
La toma de captación ha de cumplir las siguientes condiciones: Debe estar ubicada en un lugar que no esté accesible por el público en general, evitando de este modo accidentes o manipulaciones indeseadas e incluso pequeños sabotajes que alterarían su funcionamiento. Evitar la entrada de agua por lluvia o por escorrentías que se pudieran producir durante episodios de lluvia intensa, ya que si eso sucediera, a través del tubo se enviaría toda el agua al ccn objeto de la refrigeración, lo que dañaría al ventilador, y además sería una fatalidad ya que generaría casi con toda seguridad un corte de suministro eléctrico. Para conseguir este objetivo es preciso que la cabeza o entrada del tubo no esté accesible por el agua de lluvia, bastando para ello que se disponga un codo en dicha entrada con la orientación de la toma de aire hacia el suelo. Adicionalmente, para evitar la entrada de agua de es correntías o inundaciones parciales que en ese lugar se pudieran producir, es preciso que su ubicación sea por encima del nivel del suelo, dejando siempre un margen de 50 cm aconsejable de distancia con el terreno. The collection must meet the following conditions: It must be located in a place that is not accessible by the general public, thus avoiding accidents or unwanted manipulations and even small sabotage that would alter its operation. Avoid the entry of water through rain or runoff that could occur during episodes of heavy rain, since if that happened, all the water would be sent to the cooling object through the tube, which would damage the fan, and also it would be a fatality since it would almost certainly generate a power cut. To achieve this objective it is necessary that the head or inlet of the tube is not accessible by rainwater, it is sufficient for this to be an elbow in said inlet with the orientation of the air intake towards the ground. Additionally, to prevent the entry of water from runoff or partial flooding that could occur in that place, it is necessary that its location be above ground level, always leaving a margin of 50 cm advisable distance from the ground.
Evitar la entrada de insectos, roedores, animales y cualquier objeto, ya que además de dificultar el paso de aire afectaría a la integridad de los álabes del ventilador centrífugo que fuerza el paso de aire, pudiendo provocar su deterioro y consiguiente destrucción. Para conseguir este objetivo se debe incorporar en la cabeza o entrada del tubo una malla ya sea metálica o de plástico, con una sección de rejilla lo suficientemente pequeña para evitar el paso señalado pero que no afecte de forma sensible al paso de aire, incrementado de forma inadecuada las pérdidas de carga por resistencia. Prevent the entry of insects, rodents, animals and any object, since in addition to hindering the passage of air would affect the integrity of the blades of the centrifugal fan that forces the passage of air, and may cause deterioration and consequent destruction. To achieve this objective, a metal or plastic mesh must be incorporated into the head or inlet of the tube, with a grid section small enough to avoid the indicated passage but not sensitively affecting the passage of air, increased by inadequate form of load losses due to resistance.
La toma de salida o expulsión de aire ha de cumplir las siguientes: Las mismas que la toma de entrada o captación. Para ello se contemplarán las mismas medidas que las que se indicaron. Ubicarse en el interior del local del CT a refrigerar de forma que optimice lo más posible la renovación de aire dentro del local y consiga el mayor efecto refrigerador. Para conseguir esta optimización es necesario que se contemplen las siguientes medidas específicas: The outlet or expulsion of air must comply with the following: The same as the intake or collection outlet. For this, the same measures as those indicated will be considered. To be located inside the premises of the CT to be cooled so as to optimize as much as possible the renewal of air inside the room and achieve the greatest cooling effect. In order to achieve this optimization, the following specific measures must be considered:
- o Proyectar el chorro de aire frío sobre el foco caliente (en este caso el transformador, y en particular sobre las aletas de refrigeración en el caso trafos sumergidos en aceite) produce el mayor efecto refrigerador posible. La forma de conseguir esta proyección de aire sobre el foco caliente es "alargando" la toma de salida de aire a la llegada a local del CT hasta las proximidades del trafo. En todo caso no es recomendable acercar excesivamente la proyección de aire al trafo para evitar "rebotes" y "recirculaciones de aire" no deseadas, que generarían turbulencias y en definitiva pérdidas en el funcionamiento del método. En términos generales no es conveniente proyectar a menos de 1 ,5 m de distancia del trafo. o Projecting the cold air jet on the hot spot (in this case the transformer, and in particular on the cooling fins in the case of oil immersed traps) produces the greatest possible cooling effect. The way to achieve this projection of air on the hot spot is to "lengthen" the air outlet on arrival at the CT premises to the vicinity of the traffic. In any case, it is not advisable to bring the air projection to the traffic excessively to avoid unwanted "bounces" and "air recirculations", which would generate turbulence and ultimately losses in the operation of the method. In general terms, it is not convenient to project less than 1.5 m away from the traffic.
- o Reducir la velocidad de salida del flujo de aire mediante el empleo de difusores o "ensanchadores de tipo troncocónico o similar, justo a la salida del aire del tubo de expulsión, a valores que no produzcan ruidos ni turbulencias excesivas, ampliando y ajustando al mismo tiempo el canal proyectado del flujo de aire saliente al volumen del trafo. De este modo el chorro de aire frío cubrirá adecuadamente el volumen del trafo, produciendo el mayor efecto refrigerante posible. o Reduce the airflow exit speed by using diffusers or "truncated conical or similar type wideners, just outside the ejection tube, to values that do not produce excessive noise or turbulence, expanding and adjusting it time the projected channel of the outgoing air flow to the volume of the traffic, thus the jet of cold air will adequately cover the volume of the traffic, producing the greatest possible cooling effect.
- o La salida de aire caliente dentro del local debe realizarse de modo que la captación del aire caliente se produzca encima del foco caliente y se traslade al exterior con las menores pérdidas de carga posibles. o The hot air outlet inside the premises must be carried out in such a way that the hot air collection takes place above the hot spot and is transferred to the outside with the lowest possible head losses.
- o Debe evitarse en todo momento lo que se conoce como el fenómeno de "cortocircuito de aire" entre las tomas de entrada y salida de aire, es decir que todo o una parte del aire frío entrante salga por la salida de aire sin haber pasado por el foco caliente, porque este fenómeno reduce de forma drástica el efecto refrigerante perseguido. o Avoid what is known as the "air short circuit" phenomenon between the air inlet and outlet inlets at all times, that is to say that all or part of the incoming cold air exits through the air outlet without having gone through the hot spot, because this phenomenon dramatically reduces the cooling effect sought.
- o En general, para respetar las leyes básicas de la termodinámica y en particular el fenómeno de convección natural del aire, la toma de entrada del aire frío se situará a menos de 1 m de altura del suelo del local y la toma de salida del aire caliente, se ubicará lo más próxima posible al techo del local. o In general, to respect the basic laws of thermodynamics and in particular the phenomenon of natural air convection, the cold air intake will be located less than 1 m high from the floor of the premises and the air outlet hot, it will be located as close as possible to the roof of the premises.
En los dibujos que se acompañan en el apartado de figuras, se incluyen diversos esquemas explicativos de lo aquí indicado. In the accompanying drawings in the figures section, various explanatory schemes of what is indicated here are included.
VENTILADOR FAN
El ventilador que fuerza el paso de aire a través de la tubería enterrada es pieza clave en este método que se propone de refrigeración. The fan that forces the passage of air through the buried pipe is a key part of this proposed cooling method.
La ventilación de un CT se puede hacer generalmente de dos formas: por sobrepresión, es decir inyectando aire a una presión ligeramente superior a la existente en el local o por depresión, o sea, extrayendo el aire al exterior. The ventilation of a CT can generally be done in two ways: by overpressure, that is, by injecting air at a pressure slightly higher than that existing in the room or by depression, that is, by extracting the air outside.
En este caso del método de tubo enterrado solo se utilizará ventilación por sobrepresión/impulsión, lo que por otra parte es más recomendable, ya que tiene en sí mismo una ventaja intrínseca frente al sistema de extracción. In this case of the buried tube method, only overpressure / impulse ventilation will be used, which on the other hand is more advisable, since it has in itself an intrinsic advantage over the extraction system.
Esta recomendación del sistema de sobrepresión frente al de extracción, se basa en estudios realizados mediante simulación de la evolución de temperaturas en el interior de un local con un software específico para diseño de sistemas de ventilación. This recommendation of the overpressure system versus the extraction system is based on studies carried out by simulating the evolution of temperatures inside a room with specific software for the design of ventilation systems.
Se han simulado dos situaciones para un centro de transformación con idénticas condiciones, en una de ellas se ha colocado un ventilador extractor y en la otra un Two situations have been simulated for a transformation center with identical conditions, in one of them an extractor fan has been placed and in the other a
ventilador impulsor. Para realizar esta comparación los ventiladores se han simulado con idénticas características: impeller fan To make this comparison the fans have been simulated with identical characteristics:
- • •
- Q =0,2 m3/s Q = 0.2 m3 / s
- • •
- w = 2800 rpm w = 2800 rpm
• D = 0,2 m Los resultados obtenidos en este estudio utilizando simuladores de temperaturas de aire reflejan una mejoría de temperatura en el centro con sobrepresión (es decir inyectando aire en lugar de extrayendo aire) de casi 4°C, lo que se traduce en un aumento de la vida útil de la máquina del orden del 39% (aplicando los métodos definidos por las normas de IEEE e lEC referidas al cálculo de vida útil de un transformador: en particular las IEEE Std C57.91 Y StdC57.100 describen los efectos térmicos y por carga en la vida útil de transformadores inmersos en aceite). • D = 0.2 m The results obtained in this study using air temperature simulators reflect an improvement in temperature in the center with overpressure (ie injecting air instead of extracting air) of almost 4 ° C, which translates in an increase of the useful life of the machine of the order of 39% (applying the methods defined by the norms of IEEE and lEC referred to the calculation of useful life of a transformer: in particular the IEEE Std C57.91 and StdC57.100 describe thermal and load effects on the life of transformers immersed in oil).
Teniendo en cuenta las características de los tubos enterrados, longitud, codos, diámetro, etc., para vencer las pérdidas de carga presentes al caudal requerido, la opción más aconsejable son los ventiladores centrífugos. Taking into account the characteristics of buried pipes, length, elbows, diameter, etc., to overcome the pressure losses present at the required flow, the most advisable option is centrifugal fans.
CALCULO DE LAS PÉRDIDAS DE CARGA LOAD LOSS CALCULATION
Para determinar la presión a entregar por el ventilador será necesario calcular las pérdidas de carga que se producirán en el circuito. To determine the pressure to be delivered by the fan it will be necessary to calculate the pressure losses that will occur in the circuit.
El flujo de un líquido en una tubería viene acompañado de una pérdida de energía, que suele expresarse en términos de energía por unidad de peso de fluido circulante (dimensiones de longitud), denominada habitualmente pérdida de carga. The flow of a liquid in a pipe is accompanied by a loss of energy, which is usually expressed in terms of energy per unit weight of circulating fluid (length dimensions), usually referred to as head loss.
En el caso de tuberías horizontales, la pérdida de carga se manifiesta como una disminución de presión en el sentido del flujo. In the case of horizontal pipes, the loss of load manifests as a decrease in pressure in the direction of flow.
La pérdida de carga esta relacionada con otras variables fluido dinámicas según sea el tipo de flujo, laminar o turbulento, además de las pérdidas de carga lineales (a lo largo de conductos), también se producen pérdidas singulares en puntos concretos como codos, ramificaciones, etc. The load loss is related to other dynamic fluid variables depending on the type of flow, laminar or turbulent, in addition to the linear load losses (along ducts), singular losses also occur at specific points such as elbows, branches, etc.
• Pérdidas lineales • Linear losses
Son debidas a las tensiones cortantes de origen viscoso que aparecen entre el fluido y las paredes de la tubería. They are due to the shear stresses of viscous origin that appear between the fluid and the pipe walls.
Las características de los esfuerzos cortantes son muy distintas en función de que le flujo sea laminar o turbulento. En el caso de que le flujo sea laminar las capa de fluido discurren siempre en dirección paralela al eje de la tubería y sin mezclarse. En flujo turbulento hay una continua fluctuación tridimensional en la velocidad de las partículas que se superpone a las componentes de la velocidad. The characteristics of the shear forces are very different depending on whether the flow is laminar or turbulent. In the event that the flow is to laminate the fluid layers always run in a direction parallel to the axis of the pipe and without mixing. In turbulent flow there is a continuous three-dimensional fluctuation in the velocity of the particles that overlaps the velocity components.
El tipo de flujo laminar o turbulento depende del valor de la relación entre las fuerzas de inercia y las fuerzas viscosas, es decir, del número de Reynolds Re, cuya expresión se muestra a continuación de forma general y particular para tuberías de sección transversal circular: The type of laminar or turbulent flow depends on the value of the relationship between the inertia forces and the viscous forces, that is, the Reynolds Re number, whose expression is shown below in a general and particular way for pipes of circular cross-section:
Re = p v D = v D = (4 Q /(1Z' D 2 »D = 4 Q Re = p v D = v D = (4 Q / (1Z 'D 2 »D = 4 Q
f.-l f.-l/p v I1Dv f.-l f.-l / p v I1Dv
donde: where:
p , es la densidad del fluido, p, is the density of the fluid,
v , es la velocidad media, v, is the average speed,
D , es el diámetro de la tubería, D, is the diameter of the pipe,
f.-l , es la viscosidad dinámica o absoluta del fluido, f.-l, is the dynamic or absolute viscosity of the fluid,
v , es la viscosidad cinemática del fluido y v, is the kinematic viscosity of the fluid and
Q, el caudal circulante por la tubería. Q, the flow through the pipe.
Cuando Re <2000 el flujo es laminar, si Re>4000 el flujo es turbulento y entre 2000<Re<4000 el flujo es de transición. When Re <2000 the flow is laminar, if Re> 4000 the flow is turbulent and between 2000 <Re <4000 the flow is transitional.
En régimen laminar, las pérdidas de carga lineales se pueden calcular con la ecuación de Hagen-Poiseuille, en donde se tiene una dependencia lineal entre la pérdida de carga y el caudal: In laminar regime, the linear load losses can be calculated with the Hagen-Poiseuille equation, where there is a linear dependence between the load loss and the flow:
32 f.-l L v 128 f.-l L hp1 lamianr = p g D2 = P g 1Z' D4 Q 32 f.-l L v 128 f.-l L hp1 lamianr = p g D2 = P g 1Z 'D4 Q
En régimen turbulento, puede comprobarse la dependencia entre los esfuerzos cortantes y la velocidad es cuadrática, lo que lleva a la ecuación de DarcyWeisbach: In turbulent regime, the dependence between shear stresses and velocity is quadratic, which leads to the DarcyWeisbach equation:
f, es un parámetro adimensional, llamado coeficiente de fricción o de Darcy que en general es función del número de Reynolds y de la rugosidad relativa de la tubería: f, is a dimensionless parameter, called coefficient of friction or Darcy that in general is a function of the Reynolds number and the relative roughness of the pipe:
¡ = ¡(Re, E,) donde Er = El D Y E, es la rugosidad de la tubería, que representa la altura promedio de las irregularidades de la superficie interior de la tubería. ¡= ¡(Re, E,) where Er = The D and E, is the roughness of the pipe, which represents the average height of the irregularities of the interior surface of the pipe.
Moody desarrolló un diagrama que lleva su nombre, en el que se muestra una familia de curvas de iso-rugosidad relativa con las que se determina el coeficiente a partir de la intersección de la vertical del número de Reynolds, con la iso-curva correspondiente. Moody developed a diagram that bears his name, which shows a family of relative iso-roughness curves with which the coefficient is determined from the intersection of the vertical Reynolds number, with the corresponding iso-curve.
Posteriormente otros autores expresaron el coeficiente de fricción en función del número de Reynolds y de la rugosidad relativa con una fórmula explicita: Subsequently other authors expressed the coefficient of friction based on the Reynolds number and the relative roughness with an explicit formula:
_1_ =-210 (Er + 5.1286)_1_ = -210 (Er + 5.1286)
.,¡¡ g 3.7 Reo 89 ., ¡G 3.7 Reo 89
Barr: Barr:
• Pérdidas singulares • Singular losses
Son las producidas por cualquier obstáculo colocado en la tubería que suponga una obstrucción al paso del flujo: entradas y salidas de tuberías, codos, cambios de sección, etc. Normalmente son pequeñas comparadas con las pérdidas lineales, para su cálculo se suele usar la siguiente expresión: They are those produced by any obstacle placed in the pipe that supposes an obstruction to the flow passage: inlets and outlets of pipes, elbows, section changes, etc. Normally they are small compared to linear losses, the following expression is usually used for its calculation:
hpshps
donde , es la pérdida de carga en la singularidad, que se considera proporcional a la energía cinética promedio del flujo; la constante de where, is the loss of charge in the singularity, which is considered proportional to the average kinetic energy of the flow; the constant of
proporcionalidad, ~, es el denominado coeficiente de pérdidas singulares. proportionality, ~, is the so-called singular loss coefficient.
Lo más común en instalaciones respecto a las pérdidas singúlares, es la presencia en los codos, que se pueden calcular con la ayuda de diversas gráficas que relacionan el valor del coeficiente de pérdidas de acuerdo a la geometría del codo (ángulo y radio de curvatura) para cada valor de diámetro de la tubería.: The most common in installations with respect to the singular losses, is the presence in the elbows, which can be calculated with the help of various graphs that relate the value of the loss coefficient according to the elbow geometry (angle and radius of curvature) for each pipe diameter value .:
No obstante, podría darse el caso de tener pérdidas adicionales por la presencia de válvulas u otros elementos. However, it could be the case of having additional losses due to the presence of valves or other elements.
• Pérdidas totales • Total losses
Si tenemos en cuenta ambas cargas, tendremos una curva de resistencia del circuito de la forma h=k*Q2, en función del caudal, y cuya "k" es calculada con las ecuaciones antes mostradas (ktotal=kpl+kps): If we take both loads into account, we will have a circuit resistance curve of the form h = k * Q2, depending on the flow, and whose "k" is calculated with the equations shown above (ktotal = kpl + kps):
SELECCiÓN DEL VENTILADOR FAN SELECTION
Una vez se calcula la curva de resistencia en función del caudal, se calcula el punto óptimo de funcionamiento (caudal y presión de trabajo seleccionados), y se acude a un catálogo de fabricantes. El corte de la curva del ventilador que se vaya a seleccionar con la curva de resistencia, proporcionará el punto de trabajo real: Once the resistance curve is calculated based on the flow rate, the optimum operating point (selected flow rate and working pressure) is calculated, and a catalog of manufacturers is used. The cut of the fan curve to be selected with the resistance curve will provide the actual working point:
Para cada fabricante se elegirá el modelo cuya curva se encuentre inmediatamente por encima del punto de trabajo real. For each manufacturer, the model whose curve is immediately above the actual working point will be chosen.
En estos ventiladores la entrada de aire es axial al rodete y la salida es tangencial. In these fans the air inlet is axial to the impeller and the outlet is tangential.
Con potencias relativamente pequeñas (inferiores a 500 kW), somos capaces de vencer las pérdidas en toda la longitud del conducto al caudal solicitado, por lo que el rendimiento del método de refrigeración es extremadamente alto. With relatively small powers (less than 500 kW), we are able to overcome the losses in the entire length of the duct at the requested flow rate, so the performance of the cooling method is extremely high.
La ubicación del ventilador en el local del CT a refrigerar será aquella que permita The location of the fan in the room of the CT to be cooled will be the one that allows
5 fácil acceso, tanto para las tareas de instalación como las posteriores de mantenimiento que fuera preciso realizar. La salida de la toma de expulsión se prolongará dentro del local al punto más idóneo para conseguir el cometido deseado, y la sección del conducto de expulsión permitirá reducir la velocidad de salida del flujo de aire a valores admisibles para no generar excesivas turbulencias ni ruidos. 5 easy access, both for installation and subsequent maintenance tasks that need to be performed. The outlet of the expulsion outlet will be extended within the premises to the most suitable point to achieve the desired task, and the section of the expulsion duct will allow reducing the airflow exit speed to admissible values so as not to generate excessive turbulence or noise.
10 Precisamente es el ruido uno de los aspectos que pueden resultar más problemáticos si no se tiene en cuenta. El ruido que ocasiona la turbulencia del aire dentro del ventilador y las vibraciones deben ser tenidos en cuenta para evitar que supere los límites permitidos. Se recomienda el empleo de silenciadores en el caso de superar los valores límite. 10 Precisely noise is one of the aspects that can be more problematic if it is not taken into account. The noise caused by the turbulence of the air inside the fan and the vibrations must be taken into account to avoid exceeding the permitted limits. The use of silencers is recommended in case of exceeding the limit values.
15 El ruido generado por el ventilador, así como la atenuación del silenciador, se obtendrán de los diversos catálogos de los fabricantes. Se recomienda no colocar el ventilador en paredes colindantes con viviendas, y como norma general para evitar la transmisión de la vibración a la pared debido al funcionamiento del mismo, es aconsejable el montaje de unos tacos de goma tipo 15 The noise generated by the fan, as well as the attenuation of the silencer, will be obtained from the various catalogs of the manufacturers. It is recommended not to place the fan on adjoining walls with houses, and as a general rule to prevent the transmission of vibration to the wall due to its operation, it is advisable to mount some rubber studs type
20 "silent-block" que la minimicen. 20 "silent-block" that minimize it.
APLICABILIDAD DEL MÉTODO APPLICABILITY OF THE METHOD
Hay que diferenciar dos casos, según sea nueva construcción (a) o canalización existente (b). Two cases must be differentiated, depending on whether it is new construction (a) or existing pipeline (b).
a) En el caso de nueva construcción de canalización eléctrica, la solución consiste en diseñar un tubo específico para este fin, como se indica alojado lo más profundo posible dentro del conjunto de tubos que conforman las conducciones eléctricas. El tipo de material del tubo a utilizar dependerá fundamentalmente de la longitud del recorrido del tubo, si se dispone de distancia suficiente es válida la opción PVC, mucho más económica, pero sino, la opción de Al será necesaria a) In the case of new construction of electrical channeling, the solution consists in designing a specific tube for this purpose, as indicated housed as deeply as possible within the set of tubes that make up the electrical conduits. The type of tube material to be used will depend fundamentally on the length of the tube travel, if sufficient distance is available the PVC option is much more economical, but otherwise, the Al option will be necessary
b) En el caso de canalización existente, se requiere necesariamente disponer de algún tubo libre del conjunto que conforman la canalización eléctrica, siendo lo más conveniente emplear el tubo más profundo de todos. No obstante hay que ser especialmente cuidadoso en este caso. En primer lugar el diámetro del tubo libre es aconsejable que sea en las medidas de 150 a 200. En segundo lugar hay que analizar la pendiente del recorrido de la canalización para establecer los puntos de drenaje que sean requeridos, para evacuar el agua de condensación que se pueda producir durante su funcionamiento. Si hay arquetas o registros en el recorrido de la canalización obviamente lo más adecuado es tratar de ubicar allí el punto de drenaje por la facilidad de acceso y ausencia de obra civil requerida. Pero si no fuera posible será necesario hacer catas en aquellos puntos donde sea obligatorio realizarlos. Adicionalmente en cada una de las arquetas o registros es necesario ejecutar la prolongación del tubo que se utilice para refrigeración. Esta conexión se realiza contra-tubando con un tubo similar o de un diámetro ligeramente inferior el recorrido de la arqueta o registro (generalmente no más de 1-2 m) y sellando con espuma de poliuretano los lados empalmados para evitar filtraciones hacia el exterior del aire conducido y posibles fugas hacia dentro de agua que se pudiera acumular en el interior de la arqueta o registro. b) In the case of existing channeling, it is necessary to have some free tube of the assembly that make up the electrical conduit, being the most convenient to use the deepest tube of all. However, you have to be especially careful in this case. In the first place, the diameter of the free tube is advisable to be in the measurements of 150 to 200. Secondly, the slope of the canalization path must be analyzed to establish the required drainage points, to evacuate the condensation water that may occur during operation. If there are caves or records in the canalization route, it is obviously best to try to locate the drainage point there because of the ease of access and absence of civil works required. But if it is not possible it will be necessary to make tastings at those points where it is mandatory to perform them. Additionally, in each of the boxes or registers it is necessary to execute the extension of the tube used for cooling. This connection is made by counter-tumbling with a similar tube or a slightly smaller diameter the path of the casket or register (generally not more than 1-2 m) and sealing the spliced sides with polyurethane foam to avoid leaks out of the conducted air and possible leaks into water that could accumulate inside the casket or log.
En cualquiera de los dos casos, se deben seguir rigurosamente los pasos indicados In either case, the steps indicated must be strictly followed
en la descripción detallada de la solución. No obstante en cuanto al tubo enterrado a in the detailed description of the solution. However as for the buried tube a
emplear se observa que: employ it is noted that:
a) La diferencia de resultados obtenidos en la refrigeración del aire es relativamente pequeña tanto si se utiliza tubo de 150 como de 200 mm de diámetro interior. Obviamente es ligeramente mejor emplear tubo de 150 porque el régimen es más turbulento y en consecuencia el intercambio de calor con las paredes del tubo será mejor. Aunque por otra parte, la velocidad del aire es mayor, lo que a partir de velocidades entre 15 y 20/ms no es aconsejable por la generación de ruido en su interior. a) The difference in results obtained in air cooling is relatively small, whether a 150 mm or 200 mm inner diameter tube is used. Obviously it is slightly better to use a 150 tube because the regime is more turbulent and consequently the heat exchange with the tube walls will be better. Although on the other hand, the air speed is higher, which from speeds between 15 and 20 / ms is not advisable for the generation of noise inside.
b) Para longitudes iguales a superiores en la franja de 75 a 100 m, la diferencia entre utilizar el tubo de Al o el de PVC es pequeña, ya que si bien el aire se enfría más rápidamente en el de Al por la mejor conductividad térmica, a partir de esa distancia la bajada de temperatura es ya casi asindótica con la temperatura del terreno. Teniendo en cuenta que en la mayoría de las ocasiones (especialmente en entornos urbanos), las longitudes vienen dadas por las distancias entre CCTT, por la considerable diferencia de precio que existe entre una opción y la otra, mucho más económica el PVC, hacen que sea éste el tipo de tubo a utilizar con más frecuencia. b) For lengths equal to greater in the range of 75 to 100 m, the difference between using the Al or PVC pipe is small, since although the air cools more quickly in the Al because of the better thermal conductivity , from that distance the temperature drop is already almost asindotic with the temperature of the land. Taking into account that in most cases (especially in urban environments), the lengths are given by the distances between CCTT, by the considerable price difference that exists between one option and the other, much cheaper the PVC, make this is the type of tube to use more frequently.
c) Tiene mucha influencia en el comportamiento del tubo el punto de rocío o formación de condensación, que depende principalmente del grado de humedad del aire, ya que a partir de él, el rendimiento del enfriamiento se ve muy afectado, viéndose disminuido, ya que la energía de intercambio de calor con el terreno se aplica no solo a enfriar el aire, sino a a condensar agua proveniente del grado de humedad que aquél contenga. En general en climas como el peninsular, aunque las temperaturas sean elevadas (40 grados de temperatura ambiente), el funcionamiento de la refrigeración en el tubo es óptima siempre que el grado de humedad no supere el porcentaje del 30-40%, lo que es habitual que así suceda. En particular se observa que es el grado de humedad lo que más afecta al funcionamiento del tubo, mucho más incluso que la temperatura de entrada del aire, ya que por muy alto que ésta sea, si la humedad es baja, la refrigeración en el tubo es óptima. c) The dew point or condensation formation has a great influence on the behavior of the tube, which depends mainly on the degree of humidity of the air, since from it, the cooling performance is greatly affected, being diminished, since The heat exchange energy with the soil is applied not only to cooling the air, but also to condensing water from the degree of humidity it contains. In general in climates such as the peninsular, although temperatures are high (40 degrees of ambient temperature), the operation of cooling in the tube is optimal as long as the humidity level does not exceed 30-40%, which is It usually happens. In particular, it is observed that it is the degree of humidity that most affects the operation of the tube, much more even than the air inlet temperature, since no matter how high it is, if the humidity is low, the cooling in the tube It is optimal.
VARIANTES DEL METODO DE REFRIGERACiÓN PROPUESTO VARIATIONS OF THE PROPOSED REFRIGERATION METHOD
El método propuesto en su solución básica permite combinaciones que conforman variantes de instalación que introducen mejoras y optimizan el rendimiento The method proposed in its basic solution allows combinations that make up installation variants that introduce improvements and optimize performance
De las diferentes variantes posibles se incluyen las dos que se consideran más interesantes. Of the different possible variants, the two that are considered most interesting are included.
VARIANTE 1: APLICACiÓN SIMPLE PARA 2 ccn VARIANT 1: SIMPLE APPLICATION FOR 2 ccn
. Un caso particular de ubicación de toma de entrada de aire, que puede tener mucha utilización por su rendimiento adicional y por la particularidad de las redes de distribución de energía eléctrica, es ubicarla en el interior de un CT. Tendríamos entonces dos ccn interconectados por el tubo enterrado: el CT1 donde se aloja la toma de entrada o captación de aire y CT2 donde se aloja el ventilador centrífugo funcionando en aspiración y donde se encuentra la toma de salida de aire. En ese caso, buscando una rentabilidad adicional a la solución, en el CT1 se puede ubicar la toma de entrada de aire precisamente en la zona donde mayor calor se puede acumular en el mismo Gusto encima de la zona del trafo de distribución). De este modo el método de refrigeración cumplirá una doble función refrigerante: en el CT1 evacuará el calor generado por la máquina (aire que será renovado del exterior y que entrará por una de las rejillas de toma de aire del citado CT1), y en el CT2 aportará aire refrigerado a partir del tubo enterrado de ventilación. Este método para 2 ccn puede (y debe) emplearse cuando la longitud de tubo enterrado es suficiente como para ser capaz de enfriar a la temperatura del terreno la entrada de aire caliente proveniente del CT1, que puede ser superior en varios grados a la temperatura ambiente exterior en días muy calurosos. Pese a ser "a priori" más exigente desde el punto de vista del intercambio de calor en el tubo enterrado tiene la ventaja, en climas con alto grado de humedad ambiente, que el aire introducido en el tubo es más seco, porque proviene de la zona caliente del CT1, y ello tiene como ventaja la producción de menos agua de condensación y en consecuencia, la mejora del rendimiento en el proceso de intercambio de calor por aprovechamiento geotérmico del tubo enterrado. . A particular case of air intake intake location, which can have a lot of use for its additional performance and for the particularity of electric power distribution networks, is to place it inside a CT. We would then have two ccn interconnected by the buried tube: the CT1 where the inlet or air intake is housed and CT2 where the centrifugal fan operating in suction is housed and where the air outlet is located. In that case, looking for an additional profitability to the solution, in the CT1 the air intake can be located precisely in the area where more heat can be accumulated in the same Taste above the area of the distribution channel). In this way the cooling method will fulfill a double cooling function: in CT1 it will evacuate the heat generated by the machine (air that will be renewed from the outside and that will enter through one of the air intake grilles of said CT1), and in the CT2 will provide cooled air from the buried ventilation pipe. This method for 2 ccn can (and should) be used when the length of the buried pipe is sufficient to be able to cool the intake of hot air from the CT1 to the ground temperature, which can be several degrees greater than the ambient temperature outside on very hot days. Despite being "a priori" more demanding from the point of view of heat exchange in the buried tube, it has the advantage, in climates with a high degree of ambient humidity, that the air introduced into the tube is drier, because it comes from the hot zone of CT1, and this has the advantage of producing less condensation water and, consequently, improving performance in the heat exchange process by geothermal use of the buried pipe.
VARIANTE 2: APLICACiÓN DOBLE PARA 2 CCTT VARIATION 2: DOUBLE APPLICATION FOR 2 CCTT
Es una variante de la anterior. It is a variant of the previous one.
Tenemos 2 CCTT: CT1 y CT2, entre los que existen dos tubos enterrados de ventilación, independientes y convenientemente separados para no transferir el calor del terreno entre uno y otro (aconsejable una distancia de 50 cm). We have 2 CCTT: CT1 and CT2, between which there are two buried ventilation pipes, independent and conveniently separated so as not to transfer the heat from the ground between one and the other (advisable a distance of 50 cm).
En cada uno de los CCTT se alojan dos tomas: una de entrada de aire Uusto en la zona más caliente, es decir, encima del trafo) del tubo que suministra aire al otro CT, y una salida de aire, en la zona adecuada para refrigerar al trafo. In each of the CCTT two sockets are housed: one of Uusto air inlet in the hottest zone, that is, above the trap) of the tube that supplies air to the other CT, and an air outlet, in the area suitable for refrigerate the trap.
Se trata pues de la aplicación doble del método funcionando de modo simultáneo y de forma combinada. It is therefore the double application of the method operating simultaneously and in combination.
Este método es altamente aconsejable en aquellos casos en los que la entrada de aire exterior en los CCTT está muy complicada. Tal puede ser el caso de CCTT alojados en parkings subterráneos de comunidades de vecinos o en niveles de edificios donde por defectos constructivos o por no contarse inicialmente con alojar un CT, la entrada de aire es muy pobre. This method is highly advisable in those cases where the entry of outside air into the CCTT is very complicated. Such can be the case of CCTT housed in underground car parks of neighboring communities or in building levels where due to construction defects or because of not initially having a CT, the air intake is very poor.
Este funcionamiento combinado tiene la ventaja de secar mucho el aire, por el proceso de calentamiento-enfriamiento al que es sometido de manera continua por lo que el grado de humedad del aire y por lo tanto las pérdidas por condensación en los tubos enterrados son las menos posibles. This combined operation has the advantage of drying the air a lot, due to the heating-cooling process to which it is subjected continuously so that the degree of humidity of the air and therefore the condensation losses in the buried pipes are the least possible.
El inconveniente que tiene es que requiere en todo momento que el funcionamiento de ambos equipos sea simultáneo, ya que es preciso para conseguir el paso de aire. Para simplificar y garantizar este funcionamiento simultáneo, se pueden alojar en el mismo CT los dos ventiladores, uno funcionando en modo aspiración y otro en modo impulsión, controlados de forma única. The drawback is that it requires at all times that the operation of both teams be simultaneous, since it is necessary to achieve the passage of air. To simplify and guarantee this simultaneous operation, the two fans can be housed in the same CT, one operating in suction mode and the other in drive mode, controlled in a unique way.
BREVE DESCRIPCiÓN DE LOS DIBUJOS BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS
A continuación se pasa a describir de manera muy breve una serie de dibujos que ayudan a comprender mejor la invención y que se relacionan expresamente con 5 una realización de dicha invención que se presenta como un ejemplo no limitativo de A series of drawings that help to better understand the invention and that expressly relate to an embodiment of said invention which is presented as a non-limiting example of
ésta. La Figura 1 muestra un CT urbano de tipo caseta donde se podría aplicar la presente invención (válida para cualquier tipo de CT de interior) La Figura 2 representa la solución habitual existente para la refrigeración. is. Figure 1 shows an urban house-type CT where the present invention could be applied (valid for any type of indoor CT) Figure 2 represents the usual existing solution for cooling.
La Figura 3 representa un croquis general descriptivo del invento propuesto. Figure 3 represents a general descriptive sketch of the proposed invention.
La Figura 4 representa, una serie de diseño de zanjas habitualmente utilizadas en canalizaciones eléctricas, en las que se ha añadido la posición ideal de ubicación del tubo de ventilación. Figure 4 depicts a series of ditch design commonly used in electrical pipes, in which the ideal position of the ventilation tube location has been added.
15 La Figura 5 muestra la ubicación de los puntos de drenaje según el caso de pendiente existente en el tubo subterráneo de ventilación. La Figura 6 representa el esquema de funcionamiento de la variante 1 del método de refrigeración: aplicación de un tubo de refrigeración para 2 ccn . La Figura 7 representa el esquema de funcionamiento de la variante 2 del 20 método de refrigeración: funcionamiento combinado de dos tubos de refrigeración entre 2 CCTT. 15 Figure 5 shows the location of the drainage points according to the existing slope in the underground ventilation pipe. Figure 6 represents the operating scheme of variant 1 of the cooling method: application of a cooling tube for 2 ccn. Figure 7 represents the operating scheme of variant 2 of the refrigeration method: combined operation of two refrigeration tubes between 2 CCTT.
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