Circuito de água quente sem fluxo: enchimento, ar, válvulas

A bomba de circulação está funcionando, o motor puxa corrente e os manômetros mostram valores. Mesmo assim, os radiadores, as serpentinas ou os trocadores de calor de processo na ponta do circuito de água quente continuam frios. Isso pode acontecer no comissionamento de um circuito fechado de água quente projetado por uma empreiteira japonesa, montado com bombas e trocadores de calor japoneses, ou entregue com uma folha de testes em japonês cheia de termos como jusui (enchimento) e ea-nuki (purga de ar).

Resposta curta: uma bomba girando não significa que a vazão de água quente necessária está chegando às cargas. Quando um circuito de água quente não tem fluxo, verifique as causas nesta ordem: reposição de água e enchimento, válvulas fechadas, sentido de rotação da bomba, objetos esquecidos na linha, ar preso e, só então, se a bomba é adequada ao circuito. Mantenha separadas duas pressões: a pressão estática, que mantém o circuito cheio, e a pressão diferencial de que a bomba precisa para fazer a água circular. Em um circuito fechado e cheio, a altura do prédio não se soma à altura manométrica da bomba de circulação.

Este guia percorre as seis causas, faz um exemplo de cálculo de pressão estática e de altura manométrica, lista o que registrar no comissionamento e termina com um checklist e perguntas para o fornecedor do equipamento.

Sumário

1. Primeiro, separe "sem fluxo" de "com fluxo, mas sem calor"
2. Seis causas para verificar, em ordem
3. Pressão estática x altura de circulação: um exemplo de cálculo
4. O que registrar durante o comissionamento
5. Checklist antes de chamar o fornecedor
6. Perguntas para o fornecedor ou a empreiteira japonesa
7. Limites deste guia
8. Perguntas frequentes
9. Fontes

Primeiro, separe "sem fluxo" de "com fluxo, mas sem calor"

Antes de mexer em qualquer válvula, defina qual é o problema: a água do circuito não circula de jeito nenhum, ou circula sem entregar calor? Registre, no mesmo instante, a vazão, as temperaturas de alimentação e de retorno e as pressões de sucção e de descarga da bomba. Leituras tomadas juntas reduzem a busca muito mais do que qualquer manômetro isolado.

Este guia trata de circuitos fechados de circulação de água quente, como os de hospitais, hotéis e fábricas, em que a água aquecida em um trocador de calor segue para as cargas e volta para ser reaquecida. Não confunda esses circuitos com a tubulação que repõe a água consumida na água quente de uso predial, nem com circuitos que transferem água para um tanque aberto separado. Antes de começar, percorra o diagrama do sistema: por onde a água entra e sai, onde o tanque de expansão se conecta, onde fica a bomba e qual é o caminho de retorno de cada carga.

Seis causas para verificar, em ordem

1. A reposição de água não está enchendo o sistema

Depois de uma instalação nova, ou depois que o circuito foi drenado, uma válvula geral fechada na linha de reposição (hokyu-sui, "água de reposição") impede o enchimento do sistema, e o ar permanece dentro dele. Não decida só pela pressão da linha de reposição. Compare as pressões a montante e a jusante da válvula e no lado do circuito, e confira o nível de água e os registros de enchimento.

A posição normal da válvula de reposição e qualquer controle automático de enchimento seguem o projeto e os procedimentos de operação do sistema. As válvulas de alívio e as válvulas e instrumentos menores foram omitidos.

Um circuito fechado que já está cheio, sem vazamentos e que mantém seu volume de água pode circular sem que a água de reposição entre continuamente. Portanto, uma válvula de reposição fechada não prova a causa por si só. Procure evidências de que o circuito realmente está com falta de água.

Se a pressão continua caindo, não fique apenas repondo água. Verifique também vazamentos, drenagens, descarga pela válvula de alívio e o estado do sistema de expansão. O tanque de expansão absorve a variação do volume da água com a temperatura; sua função é diferente da função da bomba de circulação.

2. Há uma válvula fechada no circuito

Se uma válvula de bloqueio em um trecho em série estiver fechada, a circulação por esse trecho para. Marque no diagrama o número das válvulas e o sentido do fluxo e percorra o circuito inteiro: sucção e descarga da bomba, os dois lados do trocador de calor e o lado das cargas.

Onde há ramais em paralelo, fechar a válvula de um ramal pode interromper o fluxo só nele, enquanto a água continua passando pelos outros. Se a vazão total parece normal, mas as cargas mais distantes continuam frias, verifique em cada ramal as válvulas, os sinais de controle e os ajustes de balanceamento.

Um bypass aberto também pode deixar as cargas distantes sem água: a água segue pelo caminho curto, de menor resistência, e não chega a elas na quantidade necessária. Não abra todas as válvulas totalmente como solução geral. Compare as posições atuais das válvulas com os ajustes aprovados para o comissionamento.

Verifique também se há válvula cuja posição da haste ou do volante já não corresponde ao obturador interno e se há válvulas de retenção instaladas ao contrário ou que não funcionam. Leia cada manômetro junto com sua posição e com o lado da válvula em que está instalado.

3. A bomba gira ao contrário

Mudar as ligações de um motor trifásico inverte o sentido de giro, e uma bomba centrífuga girando ao contrário não entrega a vazão nem a altura manométrica esperadas. Um eixo girando não prova que o sentido está correto. Compare com a seta existente na bomba e com a posição de observação indicada pelo fabricante.

A verificação do sentido de giro é feita pelo pessoal responsável, com a bomba escorvada e as válvulas posicionadas, seguindo o procedimento de partida do manual de instruções. Não retire proteções para se aproximar de partes girantes e não deixe a bomba funcionando a seco para observar o sentido.

Trocar duas das três fases inverte o giro de um motor trifásico, mas qualquer alteração de ligação exige antes a desenergização e a constatação da ausência de tensão. Em bombas acionadas por inversor de frequência, siga as instruções do fabricante do equipamento e não presuma que mudar a sequência de fases só na entrada do inversor corrige o sentido.

Uma rotação ou frequência ajustada abaixo da condição de projeto também não entrega o desempenho esperado. Registre o valor de comando e o estado real de operação e compare a vazão e a pressão medidas com a curva da bomba para a rotação em que ela realmente está operando.

4. Fita, tampões ou discos cegos esquecidos na linha

Tampões de proteção, coberturas das faces de flange e discos cegos temporários que permanecem depois da obra podem bloquear o caminho do fluido. A fita de proteção esquecida é mais uma possibilidade ligada à montagem, a ser verificada quando a água não passa mesmo com todas as válvulas abertas.

Comece pelos registros da obra e pelos registros de inspeções feitas com a tubulação ou o equipamento aberto; depois verifique a pressão diferencial e a vazão no trecho suspeito. Não faça a bomba trabalhar mais forte para empurrar a obstrução; planeje a inspeção de modo que os resíduos não sejam levados para dentro dos equipamentos.

Abrir um flange para olhar o interior só vem depois que o sistema foi parado, isolado, resfriado, drenado e confirmado sem pressão residual. Nunca afrouxe juntas em tubulação quente ou pressurizada e combine o escopo do trabalho com o responsável pela montagem antes da inspeção.

Um filtro (strainer) entupido com cavacos, escória de solda ou ferrugem é outro bloqueio a descartar. Considere a malha do filtro e sua perda de carga e compare as leituras antes e depois da limpeza, com a mesma vazão.

5. Ar preso nos pontos altos

O ar que fica nos pontos altos ou dentro dos equipamentos depois do primeiro enchimento estreita o caminho da água ou é aspirado pela bomba. Vazão instável e ruído de borbulhamento são pistas, mas o som, sozinho, não faz do ar a única causa.

Faça a purga de ar nos pontos altos, equipamentos e bombas especificados para o sistema, seguindo os procedimentos de cada um. Em circuitos com muitos ramais, acompanhe o estado de enchimento trecho por trecho. Nem toda bomba tem o mesmo parafuso de purga e os pontos de purga não devem ser abertos à vontade com o sistema em operação.

Abrir uma válvula em água quente ou com pressão residual pode causar jato de água quente; por isso, consulte no manual de instruções para onde vai a descarga e quais são as condições de resfriamento e de parada. Em pontos sob pressão negativa, a purga pode aspirar ar externo, e instalar mais purgadores não resolve o problema.

Se os sintomas voltam depois da purga, investigue além: pressão estática insuficiente, ar aspirado por um ponto de vazamento e o estado do sistema de expansão e da reposição de água. Mantenha separado o ar que entra de fora do vapor que se forma no próprio líquido; essa é a diferença entre ar aprisionado e cavitação.

6. A bomba não combina com o circuito

Se o circuito está cheio, o caminho está livre e a bomba gira no sentido certo, mas a vazão necessária ainda não é atingida, compare a resistência real do circuito com o desempenho da bomba. Tubulação mais longa que a projetada, diâmetro interno menor, equipamentos adicionados ou uma válvula de controle estrangulada mudam a pressão diferencial de que o circuito precisa.

Ao longo de um circuito fechado e cheio, a água que sobe e a água que desce se equilibram. A bomba de circulação basicamente repõe a energia perdida pela resistência ao escoamento; ela não eleva a água até o topo do prédio, portanto a altura do prédio não se soma à altura manométrica de circulação.

A altura ainda importa. Ela afeta a pressão de enchimento no ponto mais alto e a pressão necessária para manter a água estável como líquido na sucção da bomba. Sistemas que bombeiam água para um tanque aberto em outro nível têm uma fronteira de pressão estática diferente, e o raciocínio do circuito fechado não se aplica a eles.

Some as perdas, na vazão necessária, na tubulação, nas conexões, nas válvulas, no trocador de calor e nas cargas, e escolha uma bomba que entregue essa vazão e essa altura manométrica ao mesmo tempo. A vazão máxima e a altura manométrica máxima de uma folha de dados não estão disponíveis juntas.

Se a troca do anticongelante ou de sua concentração aumentar a viscosidade, a resistência do circuito pode ser diferente da que foi considerada para água. Leve a temperatura de operação, o tipo de fluido e a vazão de volta para a seleção como um único conjunto de condições.

Reunir evidências sólidas da causa vem antes de decidir pela troca da bomba. Não fique tentando coisas com a bomba funcionando sem vazão ou com ruído anormal. Decida entre mudar ajustes, mudar o circuito ou trocar a bomba junto com o fabricante, com base em o desempenho ser ou não adequado.

Pressão estática x altura de circulação: um exemplo de cálculo

Em um sistema parado e cheio de água, a pressão na parte de baixo e a pressão no ponto mais alto não são iguais. Em uma coluna de água de densidade constante, a pressão cai à medida que a altura aumenta, de modo que a pressão embaixo, sozinha, não diz se o topo está cheio.

Considere um exemplo fictício: 20 m (cerca de 20 mca) da parte de baixo até o ponto mais alto, densidade da água de 1.000 kg/m³ e pressão manométrica de 250 kPa (cerca de 2,5 bar) embaixo. Com aceleração da gravidade de 9,80665 m/s², a pressão no ponto mais alto resulta em cerca de 53,9 kPa(g) (cerca de 0,54 bar). A notação (g) indica pressão manométrica.

Durante a operação, a bomba de circulação aumenta e diminui as pressões ao longo do circuito; por isso esse valor estático, sozinho, não informa a pressão em todos os pontos. Para achar o ponto de menor pressão, considere a pressão de vapor da água na temperatura de trabalho, as perdas na sucção e o ponto onde o tanque de expansão se conecta.

Agora suponha estas perdas na vazão necessária: tubulação 15 kPa, trocador de calor 20 kPa, cargas 10 kPa e válvulas 5 kPa. O total de 50 kPa (cerca de 0,5 bar) equivale a uma altura manométrica de cerca de 5,10 m (5,10 mca). Os 20 m de altura do prédio não entram nesse cálculo.

As coordenadas das curvas não são dados de produto e não representam os números à direita. Em equipamentos reais, compare a curva do modelo e da rotação reais com a resistência real do circuito.

Ao converter entre altura manométrica e pressão, observe a diferença entre sucção e descarga, e não apenas a pressão de descarga, e leve em conta a altura de instalação de cada manômetro. Uma pressão diferencial alta com vazão baixa não prova que a circulação é adequada se a causa for uma válvula fechada ou uma obstrução.

O que registrar durante o comissionamento

Reúna em um único registro: horário da medição, número da bomba, rotação, posição das válvulas, temperaturas de alimentação e de retorno, pressões de sucção e de descarga e vazão. Com as condições antes e depois de cada passo alinhadas, dá para ver qual leitura cada ação alterou.

Se a válvula de isolamento de um manômetro estiver fechada, a leitura pode não acompanhar a pressão real do tubo. Verifique também a faixa do manômetro, o zero e o estado da tomada de pressão. Se for preciso trocar um manômetro, inclua no plano de trabalho o isolamento e a confirmação de pressão residual zero.

Ao comparar um medidor de vazão local com a tela do sistema de controle, confira se ambos usam as mesmas unidades e a mesma faixa, por exemplo L/min e m³/h. Distinguir "a vazão é zero" de "o display não está atualizando" evita confundir um problema de instrumentação com um problema de tubulação.

Mudar várias válvulas ou ajustes de uma vez torna impossível saber qual mudança ajudou. Seguindo um procedimento aprovado, altere um item por vez e registre as leituras antes e depois. Defina antes quais condições exigem parada e não continue tentando enquanto alarmes ou condições anormais persistirem.

Sintoma	Leituras a comparar	Verificar em seguida
Quase nenhuma vazão em todo o circuito	Pressão de enchimento, pressão diferencial da bomba, rotação	Circuito cheio? Trecho em série, obstrução, ar
Só algumas cargas continuam frias	Vazão e temperatura do ramal, sinais de comando das válvulas	Válvula de ramal fechada, ar, bypass, balanceamento da vazão
Vazão ou pressão oscilando	Ruído, pressão de sucção, temperatura, histórico de reposição	Ar aprisionado, vaporização, oscilação do controle ou da posição da válvula
A água circula, mas não aquece	Temperaturas de alimentação e retorno, vazão, condições da fonte de calor	Capacidade de aquecimento, trocador de calor, carga, mistura

Uma grande diferença de temperatura entre alimentação e retorno pode indicar vazão baixa, mas também aparece quando a carga aumenta. Leia-a junto com o medidor de vazão e as condições da fonte de calor e não use só a diferença de temperatura para declarar o sistema normal ou defeituoso.

Faça o número das válvulas nos desenhos coincidir com as etiquetas nos equipamentos e registre o que foi feito com as proteções retiradas e as peças temporárias. Se o sistema mudar depois do fim da obra, atualize os desenhos as built e os ajustes de válvulas do comissionamento, para que a próxima investigação seja mais rápida.

Checklist antes de chamar o fornecedor

• Sintoma definido: sem fluxo nenhum, ou com fluxo mas sem calor
• Vazão, temperaturas de alimentação e de retorno e pressões de sucção e de descarga registradas no mesmo instante
• Circuito cheio: pressão no lado do circuito, registros de enchimento e qualquer sinal de vazamento, drenagem ou descarga pela válvula de alívio
• Todas as válvulas do trecho em série seguidas no diagrama, incluindo os dois lados da bomba e do trocador de calor
• Válvulas de ramal, bypass e ajustes de balanceamento comparados com os ajustes aprovados do comissionamento
• Sentido de rotação da bomba conferido com a seta da bomba e com a posição de observação do fabricante (e com os parâmetros do inversor de frequência, se houver)
• Rotação ou frequência ajustada comparada com a condição de projeto
• Registros da obra verificados quanto a tampões, coberturas, discos cegos ou fita que possam ter ficado; pressão diferencial do filtro verificada
• Ar purgado nos pontos especificados; sintomas após a purga registrados
• Válvulas de isolamento dos manômetros abertas, faixas e zeros dos manômetros conferidos, unidades de vazão iguais
• Vazão necessária e perda de carga do circuito disponíveis nos documentos de projeto

Perguntas para o fornecedor ou a empreiteira japonesa

Se a vazão de projeto e a perda de carga não constam nos documentos de projeto, volte aos requisitos da especificação de compra (kobai shiyosho) e confirme-os com o fornecedor. É preciso alinhar tanto a capacidade do equipamento isolado quanto o desempenho exigido pelo circuito instalado. Estas perguntas ajudam:

1. Quais são a vazão de projeto e a perda de carga total do circuito nessa vazão? Qual curva da bomba (modelo e rotação) foi usada na seleção?
2. Quais são a pressão de enchimento necessária e a pressão mínima no ponto mais alto, e onde o tanque de expansão se conecta?
3. Qual é a posição normal da válvula de reposição, e o enchimento é automático ou manual?
4. Onde ficam os pontos de purga de ar especificados e qual é o procedimento de purga das bombas e dos equipamentos?
5. Qual posição de observação define o sentido de rotação correto e como verificar o sentido se a bomba funciona com inversor de frequência?
6. Foram usados tampões de proteção, coberturas de flange, discos cegos ou fita de proteção durante a obra, e os registros mostram que foram retirados?
7. Se o fluido for trocado por uma mistura com anticongelante, como a seleção da bomba e a perda de carga do circuito devem ser reavaliadas?

Exemplo de e-mail (dados fictícios):

Assunto: Circuito de água quente HW-01 – baixa vazão no comissionamento
Estamos comissionando o circuito HW-01. A bomba P-1 funciona, mas as cargas do terceiro andar continuam frias. Medido às 10h00: vazão de 4 m³/h para um projeto de 12 m³/h, sucção de 210 kPa(g) e descarga de 260 kPa(g). O ar foi purgado nos pontos especificados, todas as válvulas do trecho principal estão abertas e a rotação coincide com a seta da bomba. Poderiam nos enviar (1) a vazão de projeto e a perda de carga do circuito, (2) a curva da bomba usada na seleção, (3) a pressão de enchimento necessária e o ponto de conexão do tanque de expansão e (4) os ajustes de comissionamento das válvulas de ramal e de bypass?

Os números de tag, as leituras e os valores de projeto acima são fictícios; substitua-os pelos seus.

Limites deste guia

• Ele trata de circuitos fechados de circulação de água quente. A tubulação de reposição de água quente de uso predial (no Brasil, tratada pela ABNT NBR 7198) e os sistemas que transferem água para um tanque aberto funcionam de outra forma.
• Os cálculos são ilustrativos, com valores fictícios. Não são valores de projeto nem exigências de pressão mínima de nenhum sistema.
• A purga de ar e a abertura de flanges exigem parada, resfriamento, isolamento e verificação de pressão residual conforme os procedimentos da planta; alterações de ligação elétrica exigem desenergização e constatação da ausência de tensão (no Brasil, conforme a NR-10 e os procedimentos internos de bloqueio e etiquetagem). Este guia lista o que verificar, não como executar esse trabalho.
• Posições de válvulas, métodos de enchimento e pontos de purga variam conforme o sistema e a empresa. O projeto aprovado e os documentos de comissionamento têm prioridade.

Perguntas frequentes

Uma válvula de reposição de água fechada sempre interrompe a circulação?

Não. Se o circuito não pôde ser enchido e ficou ar nele, pode interromper. Se o circuito já está cheio e mantém seu volume de água, ele ainda pode circular. Verifique a pressão no lado do circuito, os registros de enchimento e qualquer vazamento ou descarga, e não apenas a posição da válvula de reposição.

Se o prédio tem 20 m de altura, a bomba de circulação precisa de 20 m de altura manométrica?

Não. Em um circuito fechado e cheio, a altura não se soma à altura manométrica de circulação. Separe a pressão estática que mantém o ponto mais alto cheio da pressão diferencial necessária para vencer a resistência do circuito na vazão exigida, e trate à parte os sistemas que bombeiam para um tanque aberto.

Se o manômetro marca pressão alta, a água está circulando?

Não necessariamente. Uma válvula fechada ou uma obstrução pode criar uma diferença de pressão na bomba mesmo com pouca vazão. Leia juntas as pressões de sucção e de descarga, a vazão e a posição das válvulas; a pressão de descarga sozinha não confirma a circulação.

Por que o borbulhamento volta depois de purgar o ar?

O ar que sobrou do primeiro enchimento é apenas uma causa. Verifique também quedas de pressão, ar externo aspirado e gás que sai da água com a mudança de temperatura. Registre a pressão, a temperatura da água e o histórico de reposição e de drenagem no momento em que ocorre e investigue por que se repete.

Uma bomba maior resolve a vazão baixa em um circuito de água quente?

Não, se a causa for ar, válvula fechada, obstrução ou curto-circuito pelo bypass. Primeiro confirme que o circuito está cheio e que o caminho está livre; depois compare a vazão necessária e as perdas reais com a curva da bomba.

Fontes

• Pressão de enchimento, perdas de circulação e remoção de ar em sistemas fechados de aquecimento: Grundfos, Circulator Handbook "Hydronic Heating Systems", pp. 40–41, 68–69
• Pressão estática, pressão diferencial da bomba e risco de baixa pressão em alta temperatura: Grundfos, "Static pressure"
• Tubulação e bolsões de ar, sentido de rotação, registros de operação e inspeção: Ebara, manual de instruções da bomba tipo S (em japonês); os valores admissíveis de cada modelo não são generalizados aqui
• Altura manométrica em circuitos fechados, circulação e propriedades do fluido: Caleffi, "Physical operating conditions in hydronic systems" (em inglês)
• Isolamento de problemas de ar, vazão, válvulas e controle: Caleffi, "Troubleshooting process" (em inglês)
• Curvas da bomba, resistência do sistema e ponto de operação: Caleffi, "Physical concepts that aid troubleshooting" (em inglês)
• Sequência de fases na entrada e sentido de rotação em inversores: Mitsubishi Electric FA FAQ (em japonês)
• Verificação da tensão residual após o desligamento: Mitsubishi Electric, catálogo FR-D700, precauções de segurança (em japonês); siga o manual do seu equipamento quanto a tempos de espera e outras precauções