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sábado, 6 de octubre de 2012

Cálculo del ahorro energético que podemos conseguir en los sistemas de bombeo

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Cálculo del ahorro energético que podemos conseguir en los sistemas de bombeo


Si bien hemos hablado en muchos artículos sobre bombas (ver recopilación) hasta ahora no hemos tratado en profundidad la eficiencia energética de bombas como sistema para reducir costes operacionales.  Vamos a hacerlo en esta ocasión y como siempre trataremos de hacerlo de forma sencilla, simplificando al máximo los cálculos y usando un lenguaje que todos entiendan. Y lo más práctico para ello es traducir kwh en dólares, así se entiende de una forma más sencilla y efectiva estos conceptos.
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Hoy en día, los precios de la energía imponen una amenaza sin precedentes a las operaciones que consumen energía, pues el incremento de los precios de la energía erosiona el rendimiento financiero de las compañías, la productividad y en muchas ocasiones las empresas se ven obligadas a cerrar. Este último punto se conoce algo menos en occidente donde realmente la energía es barata en comparación con la eficiencia de las máquinas. Sin embargo, nuestra experiencia en economías emergentes es bien distinta. En las economías emergentes las máquinas son menos eficientes, en muchos casos altamente ineficientes, y los costes de la energía son más elevados. Eso está llevando silenciosamente a miles de empresas a la ruina ante la impotencia propia y la incapacidad de sus gobiernos para conseguir soluciones.

Con estas amenazas en mente, las operaciones de fabricación en todo el mundo están implementando procesos y procedimientos de gestión de la energía que buscan:
  • Mejorar la productividad que incrementa el rendimiento financiero.
  • Controlar el gasto reduciendo el consumo energético sin comprometer el rendimiento o, preferiblemente, mientras que simultáneamente se mejoran los niveles de producción.
  • Incrementar la fiabilidad operacional e integridad de los procesos enfatizando el uso de tecnologías eficientes que soporten una eficiencia mecánica realzada.
  • Reducción de la vulnerabilidad a la volatilidad de los precios de la energía.
Puesto que las bombas suponen casi el 27 % del uso de electricidad en el sector industrial, la mejora de los sistemas de bombeo juega un papel importante en este esfuerzo.

Como ocurre en la mayoría de los procesos industriales, no existe una solución única cuando trabajamos con sistemas de bombeo, aunque si indicamos que la selección de la bomba correcta es yba de las actuaciones más importantes que debemos tener en cuenta. Según nuestra experiencia no haber realizado un dimensionado correcto de la bomba en su momento es ahora la fuente mayor de nuestros problemas. En muchos casos nos vamos a encontrar costes realmente espectaculares en los sistemas de bombeo, sobre todo en aquellos países en los que se ven obligados a usar generadores diesel para impulsar grandes trasiegos de fluidos. Las mejoras que pueden conseguirse en este tipo de aplicaciones son realmente espectaculares, pero todas pasan por un redimensionamiento de todo el sistema.
  
¿En qué bombas podemos ahorrar energía?

Según el Hidraulic Institute las oportunidades de ahorro energético en los sistemas de bombeo abundan en todas las instalaciones existentes, y si tomamos como referencia la industria americana podemos tomar como objetivo factible un ahorro energético promedio del 20 %. Respecto al tamaño de las bombas sobre las que podemos realizar mejoras U.S. Department of Energy dice que todo el rango comercial es propicio para conseguir mejoras energéticas significativas. Los rangos comunes de la industria van desde 1 H.P. a grandes bombas de más de 1.000 H.P. Pero el rango más frecuente sobre el que actuar por su frecuencia es el que va de 20 a 500 H.P.
 
¿Cuánta energía podemos ahorrar?

La energía que podemos ahorrar en un sistema de bombeo depende sobre todo de la antiguedad de la bomba y del cuidado que se haya tenido en el diseño. Como referencia inicial podemos tomar también los valores que nos da U.S. Department of Energy y que son las siguientes:
  1. Reduciendo los requerimientos totales. 5 - 20 %
  2. Acoplar el tamaño de la bomba a la carga. 10 - 30 %
  3. Reducir o controlar la velocidad de la bomba. 5 - 50 %
  4. Compra de componentes. 1 - 3 %
  5. Operación y mantenimiento. 1 - 5 %
¿Cuánto consume una bomba?

Conocer el consumo exacto de una bomba exige su medición en carga pero para hacernos una idea inicial de las cifras que se manejan en un sistema de bombeo aportamos la siguiente información. Son datos del U.S. Department of Energy en los que hemos transformado los costes del kwh para tomar como referencia el coste promedio de países donde la energía no es tan barata como en U.S.A. Hemos tomado un valor más realista de U.S. $ 0,30 por kWh. Bajo este supuesto si consideramos una bomba de 100 H.P. con una eficiencia del 90 % (esto de la eficiencia del 90 % es optimista para la mayoría de las bombas que nos encontramos por ahí) y tendríamos:
  • Una bomba operando durante una hora supone un coste de US $ 24,6.
  • Una bomba operando durante 24 horas supone un coste de US $ 594.
  • Una bomba operando durante un mes supone un coste de US $ 18.126.
  • Una bomba operando durante un año ininterrumpidamente supone un coste de US $ 217.800.
Como vemos en las bombas grandes que están funcionando muchas horas el coste es muy elevado.

Pero estos son unos datos genéricos que nos sirven para hacernos una idea inicial de lo que podemos ahorrar en un sistema de bombeo, posteriormente debemos empezar a entrar en detalles.

Lo primero que hay que decir es que en muchas ocasiones nos encontraremos bombas de lo más "achacosas" de las que nadie es consciente el derroche que están suponiendo cada día. Las bombas están tirando energía a la basura cuando fallan en convertir la potencia eléctrica que le aplicamos en el movimiento del fluido para el que se diseñaron, y eso ocurre  frecuentemente con mayor intensidad de lo que fuese deseable.
 
Aprendiendo a evaluar la eficiencia energética de una bomba

La ingeniería de los sistemas hidráulicos no es sencilla pero si lo que queremos es analizar un sistema de bombas desde el punto de vista de los costes operacionales lo tenemos más fácil. Hay varias ecuaciones críticas que debemos conocer cuando consideremos en un proyecto la selección de una nueva bomba o estemos analizando un sistema de bombeo para analizar su eficiencia energética (ver también "Eficiencia energética en bombas").
  
1) Eficiencia de la bomba: La eficiencia energética de una bomba podemos calcularla dividiendo la energía que obtenemos a la salida de la bomba entre la eficiencia que obtenemos a la entrada. La eficiencia de la bomba está relacionada con sus pérdidas hidráulicas, mecánicas y volumétricas.

Ejemplo: Si una bomba de 1,25 HP se aplica al eje de entrada de una bomba cuando la bomba está haciendo el trabajo equivalente a 1 HP, entonces la eficiencia de la bomba será del 80 % (dividimos 1 entre 1,25).
 
2) Eficiencia total (Wire-to-water efficiency): Es la eficiencia en la que se toma en consideración tanto la eficiencia de la bomba como la del motor. La eficiencia total es el producto de la eficiencia unitaria de la bomba y la eficiencia unitaria de la unidad de potencia.
  • En los motores eléctricos, el rango de eficiencia va generalmente de 85 a 92 %.
  • Las bombas operando a eficiencias entre el 60 - 70 % pueden ser mejoradas.
  • Las bombas que operan con eficiencias inferiores al 50 % necesitan reparaciones mayores, cambios del sistema o ser sustituidas.
3) Energía específica: Potencia actual requerida por la bomba dado un volumen dado de fluido (kWh/Q). La energía específica se calcula dividiendo la energía utilizada entre el volumen bombeado.
 
4) Potencia: Es una medida del tiempo que se tarda en realizar un trabajo. Se calcula dividiendo la energía convertida entre el tiempo empleado.
 
5 ) Potencia de salida de la bomba: (es la potencia hidráulica, hydraulic or water horsepower). es la potencia del líquido transmitida por la bomba.

En las bombas de desplazamiento positivo se calcula de la siguiente forma:
 
Hydraulic Horsepower (water HP) = Flow rate (GPM) x Pressure (PSI) / 1714

En las bombas centrífugas:

Hydraulic Horsepower (water HP) = Flow rate (GPM) x Head (FT) x Specific Gravity / 3960

6) Potencia de entrada de la bomba (Brake Horsepower - BHP) es la potencia transmitida al eje de la bomba.

Brake Horsepower (BHP) = Flow Rate (GPM) x Head (FT) x Spexific Gravity / 3600 x Pump Efficiency

o alternativamente:

Brake Horsepower (BHP) = Water HP (WHP) / Pump Efficiency

7) Energía de fluidos = Potencia del fluido x Tiempo de operación


8) Caballos de fuerza: La tasa de trabajo realizada por una bomba (en H.P.) es proporcional al peso del líquido que reparte por minuto, multiplicado por la distancia vertical equivalente (en pies) a través de la cual se mueve.

Horsepower (alternating current) = kW x Efficiency / 746




CUANTIFICANDO EL AHORRO

En la primera parte de este artículo hemos introducido los conceptos de cálculo generales de los sistemas de bombeo. Reanudamos la serie entrando ya en detalle en la cuantificación del ahorro.

El accionador principal más común en una bomba es un motor eléctrico en corriente alterna (ac). Los motores se miden según los caballos de fuerza transmitidos. Ya que las bombas sirven para un amplio rango de necesidades, los tamaños de las bombas pueden ir desde varias fracciones de caballos de fuerza a varios miles, dependiendo de la aplicación. Cuando se incrementa la potencia es también muy costoso operar la bomba.
 

La eficiencia combinada del motor y la bomba determinan la eficiencia wire-to-water del sistema. Alcanzar una alta eficiencia wire-to-water en el sistema es lo deseable, y para ello se necesitan bombas y motores con alta eficiencia wire-to-water para asegurar la eficiencia a largo plazo. Pero gestionar la eficiencia energética de un sistema de bombeo es más complicado que elegir bombas de alta eficiencia y motores. Hay una gran variedad de fuentes dentro de un sistema de bombeo que pueden derrochar energía incluyendo válvulas de control y estrangulamiento, tamaño de tuberías y configuración y desgaste de bombas, por nombrar algunos.

La eficiencia de una bomba puede degradarse tanto como un 10-25 % antes de ser reemplazada. Eficiencias de 50-60 % o inferiores son comunes. Sin embargo, ya que estas ineficiencias no son fácilmente aparentes, las opoertunidades de ahorro energético para reparación o reemplazamiento de componentes son a menudo pasadas por alto.

Cuando las bombas se dimensionan inapropiadamente (sobre o sub dimensionadas), cuando los costes de operación no se consideran, o cuando faltan resultados de experiencia en el uso de bombas que esán inapropiadamente acopladas a las aplicaciones, estamos derrochando energía. Cuando esto ocurre, cada kw de potencia que entra en la bomba, solamente es aprovechado en una parte para transferir el fluido.

El problema que surge no es solamente que la compañía paga una energía adicional, sino que el desgaste de la bomba se acelera reduciéndose la vida de los componetnes. Los costes de mantenimiento se incrementan ya que es esperable un fallo prematuro, lo cual origina pérdidas de productividad adicionales.

Diseño por máxima demanda

Uno de los principales problemas de derrocho energético en bombas es que normalmente los diseños se basan en la máxima demanda del sistema, que además suele considerarse teniendo en cuenta posibles crecimientos futuros. Eso provoca que la máxima demanda solamente actúe en un pequeño porcentaje del tiempo total. La mayor separación entre la capacidad de la bomba y la demanda real origina una mayot ineficiencia y derroche de energía del sistema.

Calculando el potencial de ahorro energético

Cuando las bombas operan a niveles óptimos usan menos energía e incrementan la fiabilidad, ahorrando tanto energía como costes de mantenimiento.

  • Una reducción de potencia de 100 kW en un proceso funcionando 24/7 reduce los costes de energía en U.S. $ 40.000 dólares al año cuando el coste de la energía es de U.S. $ 0,05/kWh (coste irrealista por bajo).
  • Los beneficios en mantenimiento y productividad de mejorar el rendimiento de un sistema de bombeo son generalmente uno o dos veces el valor de ahorro energético.
El ahorro potencial de energía se calcula de la siguiente forma:

Ahorro = kW (energía eléctrica de entrada) x Horas anuales de operación x (1 - eficiencia actual)/eficiencia óptima

Ejemplo:

1) Eficiencia de operación: Bomba de 300 HP = 55 % de eficiencia.
2) Eficiencia de operación óptima: 78 % de eficiencia.
3) La bomba demanda 235 kW x 6000 horas de servicio al año.

El ahorro sería = 235 kW x 6000 horas/año x (1 - 0,55) / 0,78 = 415.769 kWh al año

Con un coste de US $ 0,05 pr kWh el ahorro sería de $20.788 dólares. En otros países habría que multiplicar ese ahorro 4 o 6.

 

 

Variadores de velocidad en bombas en una planta de aguas residuales

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Variadores de velocidad en bombas en una planta de aguas residuales 

 




La planta Kakolanmäki en Turku, Finlandia, es capaz de quitar de forma efectiva el nitrógeno del agua, reduciendo la eutroficación del mar. La planta está diseñada con alta tecnología. Se utiliza un control variadores de velocidad Vacon en bombas y compresores, ya que es esencial la regulación en una planta que procesa aguas residuales para 280.000 personas.

La planta finlandesa es una maravilla tecnológica y entre sus singularidades encontramos que ha sido construida excavando en roca y conforma actualmente cuatro kilómetros de cavernas subterráneas.  Fue necesario volar 490.000 m3 para colocar la planta lo cual supone que ocupa el volumen de un edificio de ocho plantas.
La planta se construyó para dar cumplimiento a unos estrictos requerimientos de de-nitrificación aprobados en 1994.  La inversión total supuso un coste de 125 millones de euros, y comenzó a operar  en 2009, reduciendo considerablemente la carga de nutrientes vertida en el mar Báltico. La reducción que se consiguió fue del 35 %.
El sistema de bombeo se controla por variadores Vacon AC de 130 kW y es capaz de bombear hasta 765 litros por segundo. Hay seis bombas, una de las cuales es de reserva. Las aguas residuales son tratadas en un proceso que incluye unidades de procesamiento físico, químico y biológico. El resultado es que las plantas extraen al menos un 95 % del fósforo  y organismos consumidores de oxígeno, un 70 % del nitrógeno y un 90 % de los sólidos encontrados en el agua.
En el proceso se incluyen alrededor de 50 variadores de velocidad, en un rango de potencias que va de 1,1 kw a 355 kw. Las aplicaciones de las bombas y compresores son hacer circular agua y lodos, y para los compresores de aireación. Los variadores de velocidad mejoran la disponibilidad, ya que la producción del compresor puede ajustarse a las necesidades actuales. Cuando la velocidad de rotación de una bomba se reduce por el variador a la mitad, no solamente ajusta el proceso sino que también reduce las tensiones en el equipo, se dobla la vida de operación de la bomba y se recorta el consumo energético.
Dado que instalar una planta de tratamiento de aguas residuales en una caverna es todo un desafío se diseñó un sistema de automatización de grado industrial como los que se usan en la industria química. Los variadores de velocidad se unen al sistema de automatización mediante fieldbus de Profibus. El uso de Profibus reduce la necesidad de cableado y el número de interfaces, y proporciona un beneficio significativo cuando el variador de velocidad se coloca subterráneo. Los variadores de velocidad mejoran la disponibilidad, ya que la producción de bomba y compresor puede ajustarse a las necesidades actua

 

Calculando fácilmente lo que podemos ahorrar mejorando un sistema de riego

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Calculando fácilmente lo que podemos ahorrar mejorando un sistema de riego 

 


El uso eficiente de la energía en los sistemas de riego es de vital importancia para conseguir incrementar la productividad de las instalaciones de riego. Dos recursos escasos como el agua y la energía debeb ser correctamente gestionados y no es fácil poder conocer los costes que supone su utilización. Presentamos una herramienta que permite estimar los costes de energía en los sistemas de bombeo de agua para riego. Este método de estimación se ha desarrollado según las prácticas de Estados Unidos pero consideramos es útil en cualquier otro lugar donde podamos disponer de un clima equivalente a un estado tomado como referencia.

La forma de operar el calculador es la siguiente:
  1. Elegimos el sistema de irrigación: Inundación, surco, sprinkler y microirrigación.
  2. Fuente de energía: Electricidad, diesel, gas natural, propano y gasolina.
  3. Altura de elevación.
  4. Presión del sistema (PSI).
  5. Coste de la energía: Se referencia en función de la unidad
A partir de estos datos  seleccionamos el tipo de cultivo a regar.

El calculador nos permite averiguar en primer lugar los dólares por galón que nos cuesta el sistema de riego.

Seguidamente nos indica el coste de energía anual con el sistema actual y los ahorros que podemos conseguir incorporando sistemas de eficiencia energética: medidor de caudal, planificación de riego, mantenimiento, etc.

Una excelente herramienta que nos permite hacer todo tipo de estudios de eficiencia energética en sistemas de riego.

La herramienta puede consultarse online aquí.

 

Cálculo fácil de las pérdidas de calor en tuberías y tubos

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Cálculo fácil de las pérdidas de calor en tuberías y tubos 

 



El cálculo de las pérdidas de calor en tuberías nos permite cuantificar cuánta energía estamos perdiendo de una forma bien sencilla. También podemos estimar cuanto dinero al año estamos perdiendo. es importante también comparar las diferentes opciones de aislamiento (ver Factores de selección del aislamiento industrial).


Con este calculador (ver aquí) estimamos de forma sencilla el aislamiento de tuberías. Los datos necesarios son:
  • Diámetro exterior.
  • Espesor del aislamiento.
  • Temperatura de aire.
  • Temperatura de tuberías.
  • Velocidad del viento.
  • Conductividad del aislamiento.
  • Tipo de material aislante: Aislamiento de lana mineral, aislamiento de silicato de calcio, aislamiento de fibra de espuma, aislamiento de fibra de vidrio.
El programa nos permite obtener la conductividad del aislamiento utilizado y la pérdida de calor por metro.

Método de cálculo

Los cálculos de las pérdidas de calor se han tomado de los trabajos realizados por Bailey y Lyell citado por McAdams, Kohli y Coker sobre las pérdidas de calor de una tubería oxidada en una habitación de 80 ºF. Este trabajo es una base conservadora de las pérdidas de calor durante la noche el calor debido a la emisividad del tubo oxidado utilizado por Bailey y Lyell es mayor que la emisividad del aluminio o de los revestimientos de acero inoxidable o aluminio usado para tuberías de una refinería o planta química. La luz solar directa en el revestimiento reduciría la pérdida de calor y puede conducir a la ganancia de calor en los servicios de operación del proceso por debajo de 60ºC (140ºF).
El cálculo utiliza la regresión de la tabla de la pérdida total de calor (por convección y radiación), por duplicado McAdams, Kohli y Coker.  
Un margen de diseño del 25% debe ser incluido en la pérdida de calor calculada

 

Reduciendo los costes de bombeo optimizando la sección de las tuberías

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Reduciendo los costes de bombeo optimizando la sección de las tuberías 

 

Curvas para tuberías de hierro y  acero  con 1000 ft, de longitud, temperatura del agua 70 ºF. El coste de la electricidad es de 0.05 $/kWh y 8760 horas de operación anual. La eficiencia de bomba y motor combinada del 70 %

En las plantas industriales que transportan agua y otros fluidos, el 16 % de los costes de la electricidad están asociados al sistema de bombeo.

La potencia consumida para superar la altura manométrica en el sistema de bombeo varía linealmente con el caudal, y muy poco puede hacerse para reducir el componente estático del requerimiento del sistema. Sin embargo, hay varias oportunidades de ahorro para reducir la potencia requerida para superar el componente de fricción.

La potencia requerida para superar la fricción depende del caudal, tamaño de tuberías (diámetro), longitud de tubería total, características de tubería (rugosidad de superficie, material, etc.) y propiedades del fluido bombeado. La figura anterior muestra los costes de bombeo de agua anual en una bomba (potencia por fricción) para 1000 ft de longitud de tubería  para diferentes tamaños y caudales. Son datos de 2005 para Estados Unidos, así que muy bajos para lo que cuesta la energía en la mayor parte del mundo.

Ejemplo

Unas instalaciones de bombeo de 10,000 de tubería transportan 600 galones por minuto (gpm) de agua de forma continua a los tanques de almacenamiento. De la figura, para 600 gpm:

  • Tubería de 6" ($1690/1000 ft) x 10000 ft = $16900.
  • Tubería de 8" ($425/1000 feet) x 10000 ft = $4250.
  • Tubería de 10 " ($140/1000 ft) x 10000 ft = $1400
Este ejemplo es una muestra más de la tremenda importancia que en eficiencia energética tiene la realización de una ingeniería de detalle rigurosa. Una tubería mal calculada puede estar penalizando durante años con costes de energía desproporcionadamente altos.

 

Cálculador del coste energético de los sistemas de bombeo

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Cálculador del coste energético de los sistemas de bombeo 

 



La implantación de tecnologías de eficiencia energética en los sistemas de riego es un imperativo actual de la escasez tanto de energía como de agua y es por ello que muchos sistemas de irrigación de superficie se están convirtiendo en sistemas presurizados (sprinkler o micro). En este artículo explicamos cómo estimar los requerimientos energéticos y costes de los sistemas de bombeo para irrigación. También hacemos algunas indicaciones sobre las opciones disponibles para reducir el uso de la energía diesel y eléctrica.

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La estimación del uso de energía para bombeo de agua de irrigación en cualquier sistema de irrigación puede complicarse por muchos factores. Por ejemplo, una cuestión básica es determinar los límites de lo que está sujeto a irrigación.

Calculador del coste/uso de la energía
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El siguiente calculador nos permite calcular de forma fácil los costes de uso de energía en los sistemas de bombeo. Las variables que se tienen en cuenta en estos cálculos son:
  • Altura dinámica total.
  • Eficiencia energática de bombeo (%).
  • Consumo de combustible específico.
  • Coste de la energía.
  • Horas de operación por año/estación.
  • Agua total bombeada por año/estación.
  •  
  •  Ver calculador aquí

 

Seleccionando el acoplamiento adecuado en sistemas de bombeo

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Seleccionando el acoplamiento adecuado en sistemas de bombeo 

El acoplamiento en un sistema de bombeo suele olvidarse hasta que el proyecto llega a su fin. Sin tiempo que perder, los usuarios suelen comprar todo lo que el proveedor tiene en almacén en vez de la mejor solución para el sistema. Comprendiendo la aplicación y los requisitos de selección permitirá al usuario seleccionar la mejor solución de acoplamiento.

Si el acoplamiento no se calcula convenientemente el sistema de bombeo no estará optimizado y probablemente consuma más energía de la estrictamente necesaria. En este artículo vamos a revisar las estrategias que deben tenerse en cuenta en el diseño de sistemas de bombeo para la selección correcta del acoplamiento.

Conocer los detalles de la aplicación es uno de los factores críticos y suelen pasarse por alto en la selección de acoplamiento adecuado. Normalmente los factores que suelen considerarse son epar y el tamaño del eje. Por ejemplo, la exposición a cargas de choque, temperatura y corte o las características a prueba de fallo a menudo se pasan por alto y ello puede originar un fallo en el acoplamiento, daño a las máquinas o peligro para las personas. El acoplamiento elegido se adaptará a todas las especificaciones de la aplicación.

Aunque se puede utilizar varios tipos diferentes de acoplamiento para una aplicación dada, cada tipo puede diferir en coste, complejidad y desempeño. Al seleccionar un acoplamiento, en primer lugar determinaremos el espacio en el que se instalará para asegurar que el producto ajusta. También es crítica la instalación y mantenimiento del acoplamiento.

Algunos diseños de acoplamiento permiten la instalación y mantenimiento sin necesidad de mover el equipo circundante. Estos "diseños drop-in/drop-out" se han utilizado en equipos grandes y pesados para facilitar el mantenimiento. Algunos acoplamientos también requieren un mantenimiento periódico. Libres de mantenimientos, los diseños no lubricados se prefieren y se adaptan a la mayoría de aplicaciones.

Aunque muchas aplicaciones de acoplamiento parecen simples, se pueden producir errores en el proceso de selección. Veamos una lista de verificación recomendada para asegurarse de que los puntos más importantes están cubiertos.

1. Verifique los requisitos de la aplicación

El par es el requisito más básico para la selección de un acoplamiento. Ya se trate de un motor eléctrico, motor de combustión, compresor o una turbina, el funcionamiento de un motor se entiende conociendo potencia, velocidad y par motor. Torque = (constante x HP) / RPM. Al seleccionar un acoplamiento, utilice siempre la calificación del acoplamiento de par nominal. Calificaciones del esfuerzo de torsión máximo sólo se utilizan para absorber los esfuerzos de torsión máximo en el sistema.

Entorno operativo también es importante al seleccionar un acoplamiento. Variables como la compatibilidad química, temperatura ambiente y la frecuencia de operación (se inicia o se detiene) también debe ser considerado. factor de seguridad adicional puede compensar la durabilidad y esfuerzos aplicados a los componentes de acoplamiento durante la operación si habrá pares excesivos parada (es decir, un efecto de volante). Factor de seguridad es la tolerancia adicional que se añade a la obligación de par nominal del acoplamiento para construir la seguridad en el sistema y suele ser impulsada por la temperatura, la frecuencia y las cargas de choque.

Otros factores importantes son de aplicación general, las dimensiones físicas, el método de partida y la alineación del sistema.

2. Entendiendo el diseño del acoplamiento

Comprender los diseños de acoplamiento y las limitaciones pueden ayudar al ingeniero de diseño hacer una selección final. Cada acoplamiento tiene sus limitaciones, por lo que los diversos tipos de acoplamiento se ofrecen para adaptarse a aplicaciones industriales.

Por ejemplo, si una aplicación tiene desajustes altos, entonces se requiere un acoplamiento flexible para compensar y absorber los desajustes anticipados sin correr el riesgo de tener problemas de rendimiento. Cada acoplamiento tiene una tolerancia a la desalineación permisible que puede compensar las aplicaciones difíciles que no pueden ser plenamente alineadas un 100 %. El "juego final" del eje de la bomba y el motor son cruciales y no excederán la capacidad permitida desalineación axial del acoplamiento elegido. La fluctuación de la desalineación axial gradualmente fatigar y provocar un fallo prematuro.



En aplicaciones verticales, se necesita la evaluación necesaria para asegurar que el acoplamiento es capaz de soportar el peso vertical. Pueden diseñarse plantillas especiales para soportar grandes cargas de tales y evitar excesivas fuerzas de compresión sobre el acoplamiento. Distancia entre los extremos del eje (DBSE) es el hueco entre la unidad y ejes impulsores. Los espaciadores de acoplamiento no sólo puentean huecos DBSE más grandes, sino también añaden capacidad de desalineamiento al acoplamiento.

3. Eligiendo el acoplamiento al usar variadores de frecuencia variable.

El control de la velocidad máxima y mínima es una cuestión crítica para asegurar el mejor rendimiento y la longevidad del acoplamiento.

4. Compruebe correcto acoplamiento de diseño con las certificaciones pertinentes

Algunos acoplamientos de disco están diseñados específicamente para cumplir con las normas API 610 o 671. Por ejemplo, un doble cardan, con acoplamiento de disco de acero dinámicamente equilibrado garantiza bajas fuerzas de restauración en caso de desajustes. De esta forma se extiende la vida útil de los rodamientos del motor/bomba y de las juntas. Sin perjuicio de su diseño, la mayoría de los acoplamientos de acero se puede utilizar en unidades de bombeo sometidas a temperaturas extremas.

En algunos casos, puede ser necesaria la certificación ATEX "a prueba de explosión". Esta norma certifica que si un paquete de discos, o un elemento de acoplamiento similar, falla en virtud de una sobrecarga catastrófica, no se producirían chispas. Podría así prevenirse un incendio en un ambiente explosivo. En Europa se ha desarrollado la norma ATEX para el uso de equipo en ambientes explosivos, y estos parámetros deben ser revisados en ciertas aplicaciones. En una atmósfera polvorienta, para cumplir la norma ATEX, también debe ser considerada la máxima temperatura superficial.

4. Comprobar que no existen requisitos especiales

También pueden afectar la selección del acoplamiento los ejes extendidos, grandes DBSE, los agujeros no estándar / ranuras, estrías y los montajes con ajuste hidráulico y disminución de tamaño gradual. Ciertas aplicaciones, incluida la industria alimentaria, los ambientes corrosivos en el mar y la industria petroquímica, requieren el acoplamiento a prueba de corrosión.

Respecto al rendimiento, algunas aplicaciones requieren acoplamientos a prueba de fallos. Estos acoplamientos se usan cuando es necesario seguir impulsando incluso después de un fallo catastrófico.

5. Seleccionar el fabricante correcto de acoplamientos adecuados

Hay empresas que efectuarán un análisis de vibraciones para que el acoplamiento soporte la operación normal del sistema. Esta es una gran opción para aplicaciones críticas o constructores OEM de máquinas. Es importante porque el momento de inercia del impulsor y del componente impulsado pueden crear vibraciones torsionales. En estos casos, un cálculo simple puede ayudarnos seleccionar el acoplamiento correcto que mueve la resonancia crítica fuera del rango de operación de la aplicación.

 

Minimizando las pérdidas por fricción en los sistemas de bombeo

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Minimizando las pérdidas por fricción en los sistemas de bombeo


La reducción de las causas de la fricción eligiendo la bomba apropiada incrementará la eficiencia y ahorrará costes.

Si imaginamos un sistema de tuberías, el medio desplazándose a través del mismo es impulsado por una bomba mecánica, y los sistemas de bombeo que operan más eficientemente son aquellos que están diseñados
para un medio que puede ir desde agua a fluidos más viscosos o semisólidos tales como el hormigón - que se desplazan en una trayectoria lo más corta posible y sin obstáculos.
El desafío durante las operaciones de bombeo es el ineludible hecho de que las pérdidas de eficiencia son inevitables. El culpable en este escenario es la fricción. Cuando el fluido circula a través de las bombas, tuberías y accesorios, hay resistencia, lo cual origina una disminución en la presión y velocidad de bombeo, que afecta adversamente a la eficiencia de bombeo.
La cantidad de pérdida de energía debida a la fricción de pende de numerosos factores. Las pérdidas son causadas por lo siguiente:
  • Fricción entre las paredes de la tubería y el fluido.
  • Fricción entre los fluidos adyacentes (los fluidos de viscosidad más alta tienen pérdidas mayores).
  • Cantidad de rugosidad en superficie en el interior de la tubería.
  • Turbulencia creada cuando se redirige el fluido, vía una curva o restricción en la tubería, tal como una válvula, acoplamiento o reductor.
Una consideración vital es el tipo de bomba usada para mover el fluido. A través de los años, las bombas de desplazamiento positivo que usan tecnología de doble diafragma, operada por aire
(AODD) se ha probado como una de las más versátiles para los fluidos de bombeo, independientemente de la viscosidad.
Las bombas de diafragma pueden solamente desarrollar una cierta cantidad de presión manométrica, o energía de presión, para mover un fluido de un lugar a otro. El sistema de tuberías y bombeo más eficiente, la mayor energía de presión, puede usarse para mover el fluido. Si el sistema es restrictivo de alguna forma (de tamaño inferior y/o excesivamente largo con vueltas o válvulas innecesarias) mucha de la energía de la bomba se derrocha intentando superar estas limitaciones.

En ese punto, las resticciones excesivas en la bomba pueden provocar una altura manométrica muerta, lo que quiere decir que no hay suficiente energía para mover el fluido, causando su estancamiento. Esto puede dañar la bomba. El diseño de bombas AODD les permite manejar esas alturas muertas sin daño, lo cual no es el caso para todas las bombas de desplazamiento positivo.

Tomando en cuenta los factores que contribuyen a la pérdida de fricción y la forma de combatirlo, los avances en la tecnología de bombeo han llevado a la creación de bombas que han sido diseñadas con la prioridad de minimizar las pérdids de fricción. Estas bombas se han diseñado con una trayectoria del caual más larga que reduce la fricción interna y maximiza la producción y eficiencia.

Estas bombas avanzadas pueden también caracterizarse por una configuración atornillda que asegure una contención total del producto, mientras que las opciones de elastómero son adecuadas para cumplir con los requerimientos de abrasión, temperatura y compatibilidad química. Los avances en los sistemas de distribución de aire incrementan la eficiencia de estas bombas par la mayoría de las aplicaciones.

 

 


Ejemplo de amortización de inversiones en bombas eficientes

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Ejemplo de amortización de inversiones en bombas eficientes 

 

La rentabilidad económica de los proyectos de eficiencia energética debemos siempre mirarla en un plazo determinado, que es más corto conforme más elevado es el consumo del equipo a sustituir respecto a la tecnología eficiente. También la subida de los costes energéticos va acortando el tiempo de la amortización y en muchos equipos industriales el periodo que tardamos en pagar una inversión con el ahorro conseguido es sorprendetemente corto.

Veamos un ejemplo dado por los ingenieros de Grundfoss.


Una subestación de 20 años debe ser reformada y el consultor y el cliente quieren al mismo tiempo enfocarse en unos bajos costes de funcionamiento.

  • Área total calentada: 80.000 m2
  • Demanda total de calor: 6.000 kW
  • Caudal calculado: 129 m3/h
  • Altura calculada: 18 m
Instalación actual (de 20 años):

  • 1 bomba de velocidad constante funcionando y 1 bomba de reserva (alternancia entre las dos bombas).
El Coste del Ciclo Vital estará basado en dos alternativas nuevas:

  • Sistema 1: 1 bomba de velocidad constante
  • Sistema 2: 2 bombas con control de velocidad
Sistema 1

  • 1 bomba de velocidad constante + 1 bomba de reserva
  • Bomba seleccionada: 2 x NK 80-250/259
  • Cuadro de control: Protección de motor
  • Acceso a los datos del sistema: Ninguno
  • Índice de precio: 100 (4.500 EURO)
  •  Consumo anual de energía: 52.821 kWh/año
Sistema 2

  • 2 bombas con control de velocidad + 1 bomba de reserva
  • Bomba seleccionada: 3 x TPE 80-240
  • Control: PM
  • Acceso a los datos del sistema: Sí
  • Índice de precio: 162 (7.290 EURO)
  • Consumo anual de energía: 26.516 kWh/año
Primero hay que decidir si la bomba con control de velocidad o la bomba con velocidad constante es la solución económica más conveniente.

Comparación/beneficios:

Dependiendo del precio de energía, el tiempo de amortización del coste adicional del sistema de bombas con control de velocidad es muy breve. Con un precio de 0,1 EURO/kWh, el tiempo de amortización es de aproximadamente 1,7 años.

Ahorro de energía al año: 26.305 kWh = 50%

 

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.

 

 

 

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