Método correcto de cálculo de ahorros de energía para justificar controladores

1. Método correcto de cálculo de ahorros de energía para justificar controladores de frecuencia variable en motores de bombas centrífugas • Ron Carlson, “The correct method of calculating energy savings to justify adjustable-frequency drives on pumps,” IEEE Transactions on Industry Applications, Vol. 36, No. 6, November / December 2000 • Igor J. Karassik, Keneth J. Macnaughton, “Bombas, selección, uso y mantenimiento,” McGraw-Hill, 1987, ISBN: 968-422-036-7

2. Nomenclatura: Nombre de la Variable Simbolo Unidades • Carga de la bomba: H, [ft] • Flujo volumétrico: Q, [gpm] • Gravedad específica: ge, [-] • Velocidad de la bomba: N, [rpm] • Potencia hidráulica: hhp, [hp] • Potencia al freno: bhp, [hp]

3. INTRODUCCIÓN • Los AFD ayudan a reducir el consumo de energía • eléctrica • Es necesario determinar con exactitud los ahorros • para justificar la instalación de un AFD. • Los ahorros dependen de las características del • sistema. • Las fórmulas para describir las características de • un sistema son fácilmente mal aplicadas • El modelar los sistemas ayuda a mejorar los cálculos • y los análisis evitando errores

4. Curva Característica de la Bomba y del Sistema

5. ¿Dónde se consume la energía en un sistema? En el ajuste de la presión de la bomba a los requerimientos del sistema mediante: A. Caída directa de la presión (Estrangulación) B. Aumento del flujo en la bomba (Recirculación)

6. A. Estrangulación de Presión A. Estrangulación de Presión Válvula Medidor de Presión Caída de Presión Bomba Válvula para estrangular la salida

7. Control por válvula de contrapresión = Tirar exceso de presión Potencia que entra a la bomba para ser desperdiciada Potencia que entra al motor para ser desperdiciada en la válvula Potencia que entra a la bomba y es utilizada en el sistema

8. B. Recirculación de Flujo Medidor de Flujo Recirculación de flujo Medidor de Presión Bomba

9. Control por recirculación = Tirar exceso de flujo Potencia que entra al motor y se desperdicia en la válvula De manera similar se puede obtener la potencia que entra al motor y se utiliza en el sistema; la suma de la desperdiciada y la utilizada es la que entra al motor

10. ¿Cómo ahorran energía los AFD? Las curvas características de sistema y de la bomba son diferentes El “punto natural de operación” es el punto de intersección de estas dos curvas. Condiciones de operación fuera de este punto “gastan” exceso de presión o exceso de flujo. Los métodos mecánicos de ajuste de curvas consumen energía en exceso.

11. ¿Cómo ahorran energía los AFD? Lograr la intersección de las curvas en cualquier otra condición de operación elimina la pérdida de energía de la sobrepresión. La intersección se logra variando la velocidad del impulsor de la bomba a través de un AFD. Para una condición de flujo requerido es necesario determinar: La nueva velocidad, N La nueva potencia, bhp

12. “Leyes de Afinidad” Gobiernan las relaciones entre velocidad, presión de descarga y potencia de entrada de la bomba y permiten predecir el rendimiento de una bomba a una velocidad que no sea la característica.

13. “Leyes de Afinidad” Flujo-Velocidad Potencia-Velocidad Presión-Velocidad

14. Error en los cálculos al utilizar leyes de afinidad Para determinar los ahorros en electricidad, usando un control de velocidad, con AFD, se deben determinar los bhp a velocidad fija y a velocidad ajustable. El error más común que se comete en el caso de velocidad ajustable es el hacer uso inadecuado de las leyes de afinidad.

15. Uso incorrecto de las leyes de afinidad

16. Ejemplo: Forma errónea Determinar el ahorro en potencia al usar un AFD para controlar una bomba que da 3282 ft de carga a un flujo de 4000 gpm y requiere 4025 hp, y en la nueva condición trabajará con 1000 gpm A un Q=1000 gpm, la bomba requiere 2506 bhp y el sistema requiere 1054 ft de carga de presión, Usando leyes de afinidad

17. Ejemplo: Forma errónea Los valores de Q=1000 gpm y H=205 ft no interceptan la curva del sistema por lo tanto la potencia consumida de 63 bhp no es correcta (Ver figura: Uso incorrecto de las leyes de afinidad) En forma errónea se utilizan las leyes de afinidad al considerar una característica de operación de la bomba como los valores iniciales y realizar las operaciones con las ecuaciones de afinidad sin tomar en cuenta que la curva de afinidad construida así, no intercepta la curva de requerimientos del sistema en el flujo deseado.

18. Forma correcta de usar las Leyes de Afinidad • Se debe dibujar una curva de afinidad que • intersecte la curva del sistema en la condición • final de flujo. • Donde la curva de afinidad intersecte la curva de carga de la bomba se tomará como la condición inicial. • Determinando el flujo inicial, la curva de potencia • de la bomba dará la potencia inicial. • Con la potencia inicial, flujo inicial y flujo final • se determinará la potencia final.

19. Uso Correcto de las leyes de afinidad

20. Ejemplo: Forma correcta Determinar el ahorro en potencia al usar un AFD para controlar una bomba que da 3283 ft de presión a un flujo de 4000 gpm, y trabajará con 1000 gpm La forma correcta de hacer el cálculo es: Tomar Q=1000 gpm y H=1054 ft (el valor de la presión del sistema en esa condición de flujo), como punto de intersección de la curva de afinidad con la curva del sistema. Construir la curva de afinidad, curva parabólica con centro en el origen y que cortará a la curva característica de la bomba en algún punto (H=3837 ft) y que corresponderá al flujo Q=1908 gpm y con la curva de potencia en 2966 bhp. Tomar el valor de BHP=2966 bhp y Q=1908 gpm encontrados como las condiciones iniciales para calcular la potencia bhp a la condición de flujo de Q=1000 hp

21. Ejemplo: Forma correcta Ahorro Ficticio= 2506 bhp - 63 bhp = 1443 bhp Ahorro real = 2506 bhp - 427 bhp=1079 bhp Ahorro sobrestimado = 364 bhp

22. Potencia al Freno Donde: H - Carga de presión (ft) Q - Flujo (gal/min) ge - Gravedad específica (-) BHP- Potencia al freno (hp)  - Eficiencia de la bomba (%)

23. Control por frecuencia variable

24. Frecuencia requerida dado el flujo deseado

25. Curva bomba a otra velocidad - 1 De acuerdo con las leyes de afinidad;

26. Curva bomba a otra velocidad - 2 Por lo tanto; Podemos despejar Q1 de la siguientemanera

27. Curva bomba a otra velocidad - 3 Y de acuerdo con las leyes de afinidad De tal forma que podemos calcular la potencia al freno

28. Curva bomba a otra velocidad - 4 Según las leyes de afinidad; además Despejando HpN2; sustituyendo obtenemos;

29. Curva bomba a otra velocidad - 5 por lo tanto; pero