Método correcto de cálculo de ahorros de energía para justificar controladores de frecuencia variable en motores de bombas centrífugas

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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 000 Igor J. Karassik, Keneth J. Macnaughton, Bombas, selección, uso y mantenimiento, McGraw-Hill, 1987, ISBN:

2 Nomenclatura: Nombre de la Variable Simbolo Unidades Carga de la bomba: H, [ft] Flujo volumétrico: Q, [m^3/hr] 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 H (ft), BHP (hp) Curva Característica de la Bomba y del Sistema H P = ap + c p Q BHP = a + c hp hp Q d hp H S = as + c S Flujo (gpm) Q Q H p ge Eff = 3960 BHP Eficiencia (%) P1-bomba P-sistema Potencia Eficiencia

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 hhp = Q ( H H ) p S 3960 SG Carga (ft) Eficiencia bhp = hhp Eff flujo (gpm) Hp Hs BHP Exceso H Eff hp entrada al motor = Eff bhp motor

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

9 Control por recirculación = Tirar exceso de flujo Carga (ft) hhp = H ( Q Q ) p S 3960 hhp bhp = Eff SG flujo (gpm) Hp Hs BHP Exceso de flujo Eff hp entrada al motor = Eff bhp 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 Flujo-Velocidad Leyes de Afinidad Q 1 = Q N N 1 Presión-Velocidad H H 1 N = N 1 Potencia-Velocidad BHP 1 BHP N = N 1 3

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 comente en el caso de velocidad ajustable es el hacer uso inadecuado de las leyes de afinidad.

15 Uso incorrecto de las leyes de afinidad Presión (ft), bhp (hp) ( 1000 gpm,1054 ft) ( 4000 gpm, 405 bhp) ( 1000 gpm, 05 ft) Flujo (gpm) ( 4000 gpm,38 ft) Eficiencia Hp Hs Curva de afinidad BHP Eficiencia

16 Ejemplo: Forma errónea Determinar el ahorro en potencia al usar un AFD para controlar una bomba que da 38 ft de carga a un flujo de 4000 gpm y requiere 405 hp, y en la nueva condición trabajará con 1000 gpm A un Q=1000 gpm, la bomba requiere 506 bhp y el sistema requiere 1054 ft de carga de presión, Usando leyes de afinidad Q 1000 H = H ft Q = = Q 1000 BHP = BHP1 = 405 = 63hp Q

17 Ejemplo: Forma errónea Los valores de Q=1000 gpm y H=05 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 1. 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. 3. Determinando el flujo inicial, la curva de potencia de la bomba dará la potencia inicial. 4. Con la potencia inicial, flujo inicial y flujo final se determinará la potencia final.

19 Uso Correcto de las leyes de afinidad Q= 1000 H= Q1= H1= BHP1= BHP= Carga (ft), BHP H 1054 H = Q = Q Q 1000 ( 1000 gpm,1054 ft) flujo (gpm) Hp Presión-sistema curva de afinidad. BHP

20 Ejemplo: Forma correcta Determinar el ahorro en potencia al usar un AFD para controlar una bomba que da 383 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 966 bhp. Tomar el valor de BHP=966 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 3 3 Q 1000 BHP = BHP1 = 906 = 47hp Q Ahorro Ficticio= 506 bhp - 63 bhp = 1443 bhp Ahorro real = 506 bhp - 47 bhp=1079 bhp Ahorro sobrestimado = 364 bhp

22 Potencia al Freno BHP H* Q* ge = 3960* η Donde: H - Carga de presión (ft) Q - Flujo (gal/min) ge - Gravedad específica (-) BHP- Potencia al freno (hp) η - Eficiencia de la bomba (%)

23 Control por frecuencia variable Carga (ft), BHP flujo (gpm) 0.00 Hp Hs BHP Hp' BHP' hp Eff' Eff

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