Proyectos de reacondicionamiento de bombas para ahorro energético

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Proyectos de reacondicionamiento de bombas para ahorro energético  

 

Los sistemas de bombeo suponen casi el 20 % de toda la energía usada por los motores eléctricos y entre el 25 % y el 50 % del uso eléctrico total en ciertas instalaciones industriales. Existen oportunidades interesantes para reducir el consumo energético del sistema de bombeo mediante prácticas de diseño inteligente, reacondicioanamiento, y prácticas de operación. En particular, las aplicaciones de bombeo con requerimientos de obligaciones variables ofrecen el mayor potencial de ahorro. Los ahorros conseguidos a menudo van más allá de los costes energéticos, y pueden incluir rendimiento mejorado, fiabilidad mejorada, y costes del ciclo de vida reducidos.

La mayoría de los sistemas existentes requieren control del caudal mediante líneas en bypass, válvulas de estrangulación, o ajstes de velocidad variable. La forma más eficiente de éstas es el control de velocidad de la bomba. Cuando se reduce la velocidad de una bomba, menos energía se imparte al fluido y menos necesidades de energía deben ser estranguladas o pasar por el bypass. La velocidad puede controlarse de numerosas formas, y entre los variadores de velocidad ajustables (variable speed drive ó VSD) destacamos los variadores de frecuencia variables (variable frequency drive ó VFD).

El ajuste de velocidad de la bomba no es apropiado para todos los sistemas de bombeo, pero si es una estrategia muy útil en muchas aplicaciones. En este artículo nos centramos en explicar este sistema de control como medio para ahorrar energía.

Sistemas de bombeo

Para estudiar bien el ahorro energético de estos sistemas no solamente debemos considerar la bomba, sino todo el sistema de bombeo y la forma como los componentes de sistema interactúan. El análisis y evaluación debe incluir tanto los lados del suministro como de la demanda del sistema.

En un sistema de bombeo, el objetivo, en la mayoría de los casos, es transferir un líquido de una fuente a un destino requerido; ej., rellenando un depósito de alto nivel, o circulando un líquido alrededor de un sistema, como por ejemplo un medio de transferencia de calor. Se necesita presión para hacer que el flujo ascienda con un caudal requerido y supere las pérdidas del sistema. Las pérdidas son de dos tipos: Altura estática y de fricción.

Tipos de bombas

La selección apropiada de bombas, motores y controles para cumplir los requerimientos de proceso son esenciales para asegurar que un sistema de bombeo opera de forma efectiva, fiablemente y eficientemente. Todas las bombas se dividen dos categorías principales, las de desplazamiento positivo (PD) y las rotodinámicas.

Las bombas PD pueden clasificarse en dos grupos principales: rotatorios y recíprocos. Las bombas rotatorias típicamente trabajan a presiones de hasta 25 bares. Estas bombas transfieren líquido desde la succión a la descarga a través de tornillos, lóbulos, engranajes, rodillos, etc., que operan dentro de una envolvente rígida. Las bombas recíprocas típicamente trabajan a presiones de hasta 500 bares. Estas bombas descargan el líquido cambiando el volumen interno. Las bombas recíprocas pueden generalmente clasificarse por tener un pistón, émbolo o diafragma, que desplaza un volumen de líquido entre una válvula de entrada y una válvula de descarga. El movimiento rotatorio del accionamiento, tal como un motor eléctrico, es convertido al movimiento recíproco por un cigüeñal, árbol de levas, o un plato oscilante.

El rendimiento de una bomba puede expresarse gráficamente como la altura conseguida respecto al caudal. La bomba rotodinámica tiene una curva donde la altura cae gradualmente con el incremento del caudal. Sin embargo, para una bomba PD, el caudal es casi constante cualquiera que sea la altura.

Interacción de bombas y sistemas

Cuando una bomba se instala en un sistema, el efecto puede ilustrarse gráficamente superponiendo bombas y curvas del sistema. El punto de operación estará siempre donde las curvan interseccionan.
Para una bomba PD, si se incrementa la resistencia del sistema, la curva del sistema se mueva hacia arriba,  la bomba incrementará su presión de descarga y mantendrá un caudal bastante constante, dependiendo de la viscosidad y del tipo de bomba. Niveles de presión inseguros pueden ocurrir sin válvulas de alivio. Para una bomba rotodinámica, una resistencia creciente del sistema reducirá el caudal, eventualmente a cero, pero la altura máxima está limitada. Incluso así, esta condición sólo es aceptable durante un periodo corto sin causar problemas.  Añadiendo márgenes de confort a la curva del sistema calculado se acabará seleccionando una bomba grande que estará sobredimensionada. La bomba operará a un caudal excesivo o necesitará ser estrangulada, lo que llevará a un uso incrementado de la bomba y una vida reducida.
Muchos sistemas de bombeo requieren una variación del caudal o presión. La curva del sistema o la curva de la bomba deben cambiarse para conseguir un punto diferente de operación. Donde se ha instalado una única bomba para un rango de obligaciones, se dimensionará para cumplir con la mayor demanda de la bomba. Por lo tanto usualmente estarán sobredimensionadas, y operarán ineficientemente para otras obligaciones. Consecuentemente, habrá una oportunidad para conseguir ahorro de costes usando métodos de control, tales como velocidad variable, que reducirá  la energía para accionar las bombas durante los periodos de demanda reducida.
Efectos de la variación de velocidad en bombas rotodinámicas
Una bomba rotodinámica es un dispositivo dinámico con altura generada por un impulsor rotativo. De esta forma, hay una relación entre velocidad periférica del impulsor y altura generada. La velocidad periférica está directamente relacionada con la velocidad rotacional del eje, para un determinado diámetro del impulsor fijo. La variación de la velocidad periférica está directamente relacionada con la velocidad rotacional del eje, para un diámetro del impulsor fijo. Variando la velocidad rotacional tendremos un efecto directo en el rendimiento de la bomba. Las ecuaciones relativas a los parámetros rotodinámicos del caudal a velocidad, y la altura y energía absorbida para acelerar, se conocen como la Ley de Afinidad.
Cambiando el diámetro del impulsor de la bomba se cambia de forma efectiva el punto de trabajo de un sistema dado, y a bajo coste, pero esto puede usarse solamente para el ajuste permanente a la curva de la bomba.
Para sistemas donde predomina la pérdida de presión, reduciendo la velocidad de la bomba nos moveremos al punto de intersección en la curva del sistema a lo largo de una línea de eficiencia constante. El punto de operación de la bomba, relativo a su punto de mejor eficiencia, queda constante y la bomba continua para operar en su región ideal. La ley de Afinidad es obedecida, lo que significa que hay una reducción sustancial en la potencia absorbida acompañando la reducción en caudal y altura, lo cual hace la velocidad variable el método de control ideal.
Efecto de la velocidad en el rendimiento de succión de la bomba
El líquido entrando en el ojo del impulsor gira y se divide en chorros separados por el borde principal de los vanos del impulsor, una acción que localmente hace caer la presión por debajo de la tubería de entrada a la bomba. Si el líquido entrante está a una presión con margen insuficiente por encima de la presión del vapor, entonces las cavidades de vapor, o burbujas, aparecen a lo largo de las aletas del impulsor justo al lado de los bordes de entrada. Estas colapsan más allá a lo largo de las aletas del impulsor donde la presión se ha incrementado. Este fenómeno es conocido como cavitación, y tiene efectos indeseables en la vida de la bomba.
Incrementar la velocidad de la bomba tendrá un efecto negativo en el rendimiento de la bomba y por lo tanto debe ser investigado. A la inversa, reduciendo la velocidad tendremos un efecto positivo

Efectos de la variación de la velocidad en las bombas de desplazamiento positivo

Para controlar el flujo en una bomba PD, es necesario cambiar la velocidad o parte del flujo desviarse. El estrangulamiento no es efectivo y es potencialmente peligroso. Para muchas aplicaciones, necesitan hacerse pequeños cambios en el caudal mientras que se mantiene constante la presión, y esto se alcanza mejor con una válvula de regulación de presión. Tal válvula derramará una pequeña cantidad de líquido en la fuente para mantener una presión del sistema de vapor constante. El uso de tal válvula para derramar grandes volúmenes de líquido será muy ineficiente, con la pérdida de energía manifestando calor y ruido.

Una VSD es la opción preferida para una aplicación donde el flujo necesita variar sobre una base regular. Este es el método más eficiente de control del flujo y no derrocha nada de energía en la entrada del eje.

En una bomba PD, el caudal es proporcional a la velocidad, pero la presión puede ser independiente de la velocidad. Consecuentemente, el ahorro de potencia y energía no cae tan rápidamente cuando la velocidad se reduce. A veces es necesario operar bombas PD sobre un amplio rango de velocidad de bombas rotodinámicas, típicamente hasta 10:1. Este rango de grandes velocidades y las características de las bombas PD tienen implicaciones tanto para la bomba como para el tren motriz, incluyendo:

• Velocidades de operación más bajas y más altas pueden requerir consideraciones especiales respecto al método o tipo de lubricación y/o refrigeración.
• El motor puede no ser adecuadamente enfriado a la velocidad más baja. Un ventilador separado puede ser considerado.
• El caudal puede ser tan bajo que la apertura de la válvula sea demasiado pequeña como para ser sostenible bajo las diferentes fuerzas, y la válvula puede presentar movimientos.
• La energía de la inercia del tren de transmisión llega a ser demasiado pequeña para suavizar el arranque del motor. Posibles soluciones son el funcionamiento del motor a mayor velocidad con una relación de reducción del tren - transmisión más alta, o un volante de compensación.
• En la etapa de diseño del sistema, deben considerarse las características de par constante y posibles efectos del par de baja velocidad, debido a que imponen demandas en VSDs electrónicos.
• Cuando se bombean líquidos que contienen sólidos con alto grado de sedimentación, puede ocurrir una excesiva acumulación de sólidos en la bomba, causando desgaste. Cuando se reduce la velocidad de los líquidos, la velocidad se mantendrá bastante alta en la bomba y en el sistema de bombeo para evitar la sedimentación de los sólidos.
• Un cambio en la temperatura del líquido y viscosidad puede provocar cavitación.

Motores

Hay muchos tipos de fuerza motriz en las bombas disponibles (tales como motores diesel o turbinas de vapor) pero la mayoría de las bombas son accionadas por un motor eléctrico. La mejora en la eficiencia de los motores, usando motores de alta eficiencia, puede ofrecer ahorros de energía importantes y cortos payback.

Variadores de velocidad variable

Hay varios tipos de VSDs. En aplicaciones que requieren control de presión o flujo, particularmente en sistemas con altas pérdidas de fricción, la opción de mayor eficiencia energética en control es un VSD, comúnmente referido como un variador de frecuencia variable (VFD). La forma más común de VFD es la fuente de voltaje, convertidor de frecuencia de pulso-ancho modulado (PWM) (a menudo incorrectamente referido como un inversor). En su forma más simple, el convertidor desarrolla un voltaje directamente proporcional a la frecuencia, que produce un flujo magnético constante en el motor. Este control electrónico puede acoplar la velocidad del motor al requerimiento de carga. Esto elimina numerosos y costosos equipos auxiliares, tales como válvulas de estrangulamiento o sistemas bypass.

PROCESO DE SELECCIÓN - NUEVOS SISTEMAS

Es esencial comenzar el dimensionado de un sistema hidráulico, y trabajar sistemáticamente para seleccionar la bomba, motor y variador. Cuando se conocen las prestaciones máximas de la bomba, el pico de potencia y velocidad del variador estarán claros. Es común sobredimensionar los componentes del sistema (bombas, motores y variadores); sin embargo, esta práctica no se recomienda debido a que origina unos costes de equipos iniciales más altos y costes del ciclo de vida más altos.

Cuando se selecciona una bomba rotodinámica en combinación con un VSD para un sistema con presión estática, se eligirá una bomba tal que el caudal máximo esté ligeramente al lado de la derecha del punto de mejor eficiencia (BEP). La excepción es para un sistema regulado de flujo constante, en cuyo caso la recomendación es seleccionar una bomba que opere a la izquierda de un BEP a máxima presión. Esta aproximación optimiza la eficiencia de operación de la bomba.

Deben considerarse todas las condiciones de operación cuando se diseñe el sistema. Algunos perfiles de operación pueden satisfacerse mejor instalando bombas múltiples, que pueden fijarse como velocidad variable. El control on/off puede usarse para variar el caudal en sistemas en los que el caudal intermitente es aceptable. Esto puede ser una solución eficiente en energía, pero estos sistemas a menudo requieren una instalación de almacenamiento líquido.

PROCESO DE SELECCIÓN - REACONDICIONANDO EQUIPOS EXISTENTES

Hay aproximadamente 20 veces más bombas en servicio que las suministradas cada año. Es por lo tanto aparente que existen oportunidades para modificar sistemas instalados que las hacen más eficientes. Los diseñadores de la mayoría de los sistemas de presión requeridos. Se estima que un 75 % de los sistemas de bombas están sobredimensionados, muchos más de un 20 %. Esto permite la utilización de VSDs que puedan acoplar los sistemas de bombas a los actuales requerimientos del sistema actual más exactamente y ahorrar una considerable cantidad de energía.

Cuando consideremos añadir un VSD a un motor existente, debe tenerse cuidado en acoplar las características eléctricas del motor y el convertidor de frecuencia; además el riesgo de fallo prematuro se introduce en el sistema. Los convertidores de frecuencia más antiguos producían salidas con un alto contenido en armónico en la forma de onda, que causaba un calentamiento adicional sustancial del devanado del motor. Los motores de alta eficiencia eran menos afectados por los armónicos que los de tipo estándar.

• Beneficios del VSDs: VSDs ofrece varios beneficios, algunos que son relativamente fáciles de cuantificar, y otros que son menos tangibles, pero hay algunas desventajas potenciales, que deben ser evitadas.
• Ahorro energético: En instalaciones de bombas rotodinámicas, se han conseguido ahorros entre un 30 % y un 50 % en muchas instalaciones mediante VSDs. Cuando se usan bombas PD, el consumo de energía tiende a ser directamente proporcional al volumen bombeado y el ahorro es fácilmente cuantificado.
• Control de procesos mejorado: Acoplando el caudal o presión de salida de la bomba a los requerimientos del proceso, pueden corregirse pequeñas variaciones más rápidamente por un VSD que por otra forma de control, que mejora el rendimiento del proceso. Hay menos probabilidad de que el caudal o la presión aumenten bruscamente  cuando el dispositivo de control proporcona tasas de cambio, que son virtualmente infinitamente variabless.
• Fiabilidad del sistema mejorado: Cualquier reducción en la velocidd alcanzada usando un VSD tiene beneficios mayores en la reducción del desgaste de la bomba, particularmente en rodamientos y sellos. Además, usando ínidices de fiabilidad, el periodo de tiempo entre mantenimiento o averías puede computarse exactamente.