Cuaderno Técnico nº 214

Transcripción

1 Cuadero Técico º 214 Eficiecia eergética: Vetajas del uso de los variadores de velocidad e la circulació de fluidos J. Schoek

2 La Biblioteca Técica costituye ua colecció de títulos que recoge las ovedades electrotécicas y electróicas. Está destiados a Igeieros y Técicos que precise ua iformació específica o más amplia, que complemete la de los catálogos, guías de producto o oticias técicas. Estos documetos ayuda a coocer mejor los feómeos que se preseta e las istalacioes, los sistemas y equipos eléctricos. Cada uo trata e profudidad u tema cocreto del campo de las redes eléctricas, proteccioes, cotrol y mado y de los automatismos idustriales. Puede accederse a estas publicacioes e Iteret: La colecció de Cuaderos Técicos forma parte de la «Biblioteca Técica» de Scheider Electric España S.A. Advertecia Los autores declia toda resposabilidad derivada de la icorrecta utilizació de las iformacioes y esquemas reproducidos e la presete obra y o será resposables de evetuales errores u omisioes, i de las cosecuecias de la aplicació de las iformacioes o esquemas coteidos e la presete edició. La reproducció total o parcial de este Cuadero Técico está autorizada haciedo la meció obligatoria: «Reproducció del Cuadero Técico º 214 de Scheider Electric». Cuadero Técico Scheider 214 / p. 2

3 Cuadero Técico o 214 Eficiecia eergética: Vetajas del uso de los variadores de velocidad e la circulació de fluidos Jacques Schoek Graduado e la escuela de igeiería ENSEEIHT y doctor-igeiero por la Uiversidad de Toulouse, J.Schoek participó e el desarrollo de los variadores de velocidad de Telemecaique desde 198 hasta Posteriormete estuvo a cargo de estudios e el campo del filtrado de armóicos y a cotiuació de arquitecturas de distribució eléctrica. Trad.: J.M. Giró Origial fracés: mayo 28 Versió española: marzo 21

4 Glosario Eficiecia eergética: Uso óptimo de eergía eléctrica, icluyedo la reducció del cosumo y el coste y la mejora de la dispoibilidad. Variador de velocidad: Aparato utilizado para cotrolar la velocidad de ua máquia. Covertidor de frecuecia: Aparato utilizado para ajustar la frecuecia de la tesió que se aplica a u motor y así cotrolar su velocidad. Arracador progresivo: Aparato utilizado para limitar la corriete de arraque de u motor y para cotrolar su aceleració. Bomba: Aparato utilizado para elevar o mover u fluido. Bomba cetrífuga: Ua bomba e la que el líquido es impulsado por u movimieto giratorio. Vetilador: Aparato utilizado para desplazar aire. Compresor: Aparato utilizado para aumetar la presió de u volume de gas. Caudal: La catidad de u fluido trasportado por uidad de tiempo. Altura maométrica: Presió e u puto determiado de u circuito, expresada como la altura de ua columa de líquido. Potecia útil: Potecia trasferida a u fluido que absorbe ua cierta catidad de eergía por uidad de tiempo. Potecia mecáica: Potecia mecáica trasferida a ua máquia (bomba, vetilador y compresor) de maera que pueda aplicar ua cierta catidad de potecia útil al fluido. Potecia eléctrica: Eergía absorbida por el motor eléctrico que accioa la máquia. Caída de presió o pérdidas e carga: Potecia extra que debe trasferirse al fluido para vecer las fuerzas que se opoe a su circulació. Bomba de refuerzo: Aparato utilizado para mateer ua cierta presió e u circuito, idepedietemete del caudal requerido. Golpe de ariete: Variació brusca de la presió e u circuito causada por reducció demasiado rápida del caudal, debida al cierre de ua válvula o a la parada de ua bomba. Cavitació: Feómeo que cosiste e la formació y el repetio colapso de burbujas de vapor e ua bomba, ocasioado por la caída de ua presió e la aspiració del líquido. Notas: TDH: - Total Dyamic Head - Altura maométrica total - Hauter maometric totale. HVAC - Heatig, Vetilatio ad Air-coditioig - Calefacció, Vetilació y el aire acodicioado. Cuadero Técico Scheider 214 / p. 4

5 Eficiecia eergética: Vetajas del uso de los variadores de velocidad e la circulació de fluidos Ua gra parte de la electricidad que se produce e todo el mudo se utiliza para hacer circular fluidos, líquidos y gases de todos los tipos, co máquias como bombas, vetiladores y compresores. Dada la creciete importacia de cotrolar el cosumo de eergía, se debe prestar ua especial ateció al modo de fucioamieto de estas máquias y a los ahorros de eergía que puede obteerse mediate el cotrol a velocidad variable. E este Cuadero Técico se trata los diferetes aspectos de estas aplicacioes tato desde el puto de vista cualitativo como del cuatitativo. Los variadores de velocidad está etre las pricipales solucioes propuestas por Scheider Electric para aumetar la Eficiecia Eergética. Ídice 1 Itroducció p. 6 2 Bombas cetrífugas 2.1 Geeralidades p Características fudametales p Puto de fucioamieto p Variació de caudal a velocidad fija p Fucioamieto a velocidad variable p Vetiladores 3.1 Geeralidades p Fucioamieto a velocidad fija p Fucioamieto a velocidad variable p Compresores 4.1 Geeralidades p Fucioamieto co carga variable p Fucioamieto a velocidad variable p Coclusió p. 28 Aexo 1: Bibliografía p. 28 Cuadero Técico Scheider 214 / p. 5

6 1 Itroducció La eergía eléctrica cosumida por bombas, vetiladores y compresores represeta ua parte sigificativa de la electricidad utilizada e todo el mudo. Se ha estimado que e los procesos idustriales y e los grades edificios, el 72% de la electricidad es cosumida por motores, de los cuales, el 63% se utiliza e bombas, vetiladores y compresores para maejar fluidos. Numerosos sectores idustriales ecesita bombas, vetiladores y compresores. Por ejemplo: E el sector del Agua, para elevar, regar, distribuir, tratar, etc... E el sector del Petróleo y el Gas, para la extracció, trasporte, refiado, licuefacció, etc. E los edificios, para calefacció, vetilació, aire acodicioado, etc. Los métodos tradicioales para cotrolar el caudal o la presió implica variar la secció efectiva de la tubería o circuito por los que circula el fluido. Los mecaismos más comúmete usados so válvulas, grifos y compuertas. No obstate se puede obteer u importate ahorro de eergía usado variadores de velocidad para cotrolar el caudal o la presió e bombas, vetiladores y compresores como solució alterativa a las ateriormete expuestas físicas o mecáicas. E las aplicacioes de bombeo, el ahorro más importate se alcaza co bombas cetrífugas. El propósito de este documeto es describir los distitos tipos de fucioamieto de las bombas, vetiladores y compresores y cuatificar el ahorro de eergía que el cotrol de velocidad puede geerar. Tambié se aalizará otras vetajas de esta técica desde el puto de vista de la Eficiecia Eergética. Cuadero Técico Scheider 214 / p. 6

7 2 Bombas cetrífugas 2.1 Geeralidades Existe todo tipo de bombas cetrífugas por lo que respecta a su potecia, caudal y presió. Se usa e multitud de aplicacioes, pricipalmete e el sector del Agua. Este es el tipo de bomba más extedido. El pricipio implica accioar u impulsor que trasfiera eergía mecáica al fluido, la cual se covierte e eergía de potecial (represetada por la presió) y eergía ciética (represetada por el caudal). La figura 1 muestra las partes pricipales de ua bomba cetrífuga simple de u solo rodete: El cuerpo de la bomba, que comprede el colector de etrada y de salida. El impulsor, que está fijado juto al eje del motor. La Figura 2 muestra ua bomba cetrífuga accioada por u motor asícroo trifásico co rotor e jaula de ardilla, que es el tipo de motor eléctrico más comúmete utilizado. Estos motores trabaja a ua velocidad fija cuado se coecta directamete a la red eléctrica, pero está perfectamete preparados para trabajar a velocidad variable si se alimeta mediate u covertidor de frecuecia. Se ha desarrollado diferetes cofiguracioes de bombas cetrífugas para cubrir u amplio rago de caudales y presioes. E cocreto, la presió se puede aumetar colocado varias bombas e serie. La figura 3 muestra u ejemplo de ua bomba multicelular. Fig. 1: Partes pricipales de ua bomba cetrífuga. Fig. 2: Bomba cetrífuga accioada por u motor eléctrico. Fig. 3: Bomba cetrífuga multicelular. Cuadero Técico Scheider 214 / p. 7

8 2.2 Características fudametales La misió fudametal de ua bomba es etregar ua cierta catidad de fluido e u tiempo dado a ua presió determiada. Por tato, los parámetros más importates utilizados e bombeo so caudal y altura maométrica. El caudal (o descarga) Q represeta el volume del fluido trasportado por uidad de tiempo y se expresa e m 3 /s. La altura maométrica H represeta la presió e u puto determiado del circuito, expresada como la altura de ua columa vertical del fluido trasportado (e m). La relació etre la altura maométrica y la presió es: Pr = r.g.h Pr: presió (Pa) r: desidad del fluido (kg/m 3 ) g: aceleració de la gravedad (9,81 m/s 2 ) H: altura maométrica (m) E el caso del agua: r = 1 kg/m 3. La Altura Maométrica Total de ua bomba (TDH) represeta la presió diferecial que crea la bomba e el fluido etre la etrada y la salida del circuito, expresada como la altura de ua columa del fluido. La TDH varía segú el caudal. La curva que represeta la TDH como ua fució del caudal es característica de cada bomba. Hay ua curva de TDH distita para cada velocidad de giro del motor de la bomba. La Altura Maométrica Total Máxima (TDH máx ) es la presió máxima que la bomba puede ejercer sobre el fluido, a caudal cero, lo que correspode a la mayor altura de la columa de fluido que la bomba puede mateer, como se ilustra e la figura 4. TDH máx Fig. 4: Ilustració: Altura Maométrica Total máxima (TDH). Cuadero Técico Scheider 214 / p. 8

9 La potecia útil (Pu) trasferida al fluido se obtiee co la fórmula: Pu = r.g.h.q (e W) La potecia mecáica sumiistrada a la bomba tiee e cueta el redimieto h de la bomba, es decir: 1 1 P =.P u =. ρ. g.h. Q η η El redimieto h de la bomba varía co el caudal. Es cero cuado la TDH o el caudal so cero. Esto se debe a que o se trasfiere eergía al fluido. El puto de trabajo omial se defie como el puto e el que el redimieto de la bomba es máximo. La Figura 5 represeta las variacioes de TDH, redimieto y potecia e fució de caudal, para ua bomba cetrífuga típica. T D H m á x A máx T D H P P Q Q (m 3 /s) Fig. 5: Curvas características de ua bomba cetrífuga típica. Cuadero Técico Scheider 214 / p. 9

10 2.3 Puto de fucioamieto El circuito de distribució e el que se ha istalado la bomba se caracteriza por: La altura de la columa de agua etre el puto de succió y el puto de utilizació (altura geométrica total Z), La caída de presió, correspodiete a la presió adicioal que se ecesita ejercer sobre el fluido para superar la fricció e los coductos. E la figura 6 se represeta u circuito de distribució simplificado. La caída de presió R es proporcioal al cuadrado del caudal. Esto da como resultado ua curva que es característica de los circuitos de distribució, como la represetada e la figura 7. El puto de fucioamieto de la bomba istalada e el circuito se determia por la itersecció de las dos curvas características: la de la bomba y la del circuito, como se idica e la figura 8. E este caso, la potecia útil sumiistrada al fluido por la bomba (igual a r.g.h.q) es proporcioal a la zoa sombreada. Z Fig. 6: Circuito de distribució simplificado. R Bomba Circuito Z H: altura maométrica a ivel de la bomba Z: altura de la columa de agua R: pérdidas de carga o caída de presió Fig. 7: Curva característica de u circuito de distribució. Q (m 3 /s) Q (m 3 /s) Fig. 8: Puto de fucioamieto de ua bomba e u circuito. Cuadero Técico Scheider 214 / p. 1

11 2.4 Variació de caudal a ua velocidad fija E la mayoría de aplicacioes, el caudal de fluido a sumiistrar varía e el tiempo, segú las ecesidades de los usuarios. Cuado se usa ua bomba de velocidad fija, se puede aplicar diferetes métodos. Uso de válvulas aguas abajo de la bomba Actúa reduciedo la secció efectiva de la tubería a la salida de la bomba. Esto produce u aumeto de la caída de presió e el circuito, lo que se traduce e u aumeto de presió a la salida de la bomba y ua pérdida de eergía e el fluido. E la figura 9, el puto A es el puto de fucioamieto que correspode al caudal omial Q. El puto B es el puto de fucioamieto co caudal reducido Q r. El puto de fucioamieto óptimo del circuito para este caudal Q r sería el puto C. La zoa sombreada represeta la pérdida de potecia co esta forma de trabajo. Uso de u circuito de derivació (bypass) El pricipio de fucioamieto cosiste e devolver a su orige ua parte del fluido bombeado, utilizado ua válvula de derivació o de bypass. Esto permite que el caudal esté bie cotrolado pero tiee el icoveiete de ua baja eficiecia eergética. E la figura 1, el puto A es el puto de fucioamieto correspodiete al caudal omial Q. El puto óptimo de fucioamieto para este circuito co caudal reducido Q r, sería el puto C. La válvula bypass localizada a la salida de la bomba, prácticamete o altera estos putos de fucioamieto. La zoa sombreada represeta la pérdida de potecia e este sistema. Esta forma de trabajo permite coseguir u caudal bajo si correr el riesgo de aumetar excesivamete la presió a la salida de la bomba. Fucioamieto itermitete (marcha - paro) Este modo de fucioamieto se usa ormalmete para llear taques de almaceaje, como depósitos de agua. La bomba se seleccioa para que trabaje co u redimieto óptimo para la altura del agua e el circuito cosiderado y el máximo caudal requerido. La bomba se coecta durate los periodos e los que la eergía eléctrica es más barata. El icoveiete de este método es que, como la bomba fucioa a su máximo caudal, la caída de presió e el circuito tambié es máxima. B A A C C Q Q Q (m 3 r /s) Fig. 9: Variació de caudal utilizado ua válvula aguas abajo. Q Q Q (m 3 r /s) Fig. 1: Variació de caudal utilizado u circuito de derivació (válvula bypass). Cuadero Técico Scheider 214 / p. 11

12 Bombas e paralelo Cuado el caudal de u circuito tiee que sufrir grades variacioes, es coveiete istalar varias bombas e paralelo. Esta cofiguració, ilustrada e la figura 11, hace que las bombas trabaje lo más cerca posible de su ivel óptimo de eficiecia. Si, por ejemplo, se istala tres bombas idéticas e paralelo, la curva TDH resultate se traza sumado todos los caudales a ua altura maométrica determiada. E u circuito determiado, hay por ello tres posibles putos de fucioamieto, depediedo del úmero de bombas e marcha, como se represeta e la figura 12. Se puede obteer putos itermedios de fucioamieto usado ua bomba auxiliar de meor potecia, como se ilustra e la figura 13. Siguiedo el mismo pricipio, es bastate comú usar ua bomba jockey de baja potecia para mateer el circuito a ua presió míima cuado las bombas pricipales o está fucioado. P1 P2 P3 Pa Fig. 11: Cojuto de bombas e paralelo. Q Q (m 3 1 Q 1+2 Q /s) Q Q Q (m 3 a 1 Q 1+a etc... /s) Fig. 12: Asociació de bombas idéticas e paralelo. Fig. 13: Utilizació de ua bomba auxiliar. Cuadero Técico Scheider 214 / p. 12

13 Fució bomba de refuerzo Las bombas puestas e paralelo geeralmete icluye u sistema regulador de presió, para mateer la presió del circuito etre u valor míimo y u valor máximo. U aumeto e la demada produce ua reducció de la caída de presió, origiada por la apertura de grifos aguas abajo, y la reducció de la presió. Cuado se alcaza la presió míima, debe poerse e marchar ua bomba más. Este fucioamieto se ilustra e la figura 14. E cambio, ua demada decreciete se traduce e u aumeto e la caída de presió, origiada por el cierre de grifos aguas abajo, y u aumeto de la presió. Cuado se alcaza la presió máxima, se debe parar ua bomba. Este fucioamieto se puede ver e la figura 15. Demada creciete Demada decreciete P máx P máx P mí 1P 2P 3P Q (m 3 /s) P mí 1P 2P 3P Q (m 3 /s) Fig. 14: Fucioamieto de ua bomba de refuerzo de caudal costate. Fig. 15: Fucioamieto de ua bomba de refuerzo de caudal decreciete. Cuadero Técico Scheider 214 / p. 13

14 2.5 Fucioamieto a velocidad variable Las características fudametales de ua bomba cetrífuga está relacioadas directamete co su velocidad de rotació. Si cosideramos la bomba e sí misma (si teer e cueta la altura de la columa de agua), a ua velocidad co giro N, diferete de la velocidad omial N : el caudal Q es proporcioal a (N/N ), la altura maométrica (TDH) es proporcioal a (N/N ) 2, la potecia P es proporcioal a (N/N ) 3. Nota: Estas reglas sobre las bombas so aproximadas, pero se cumple e u amplio rago de variació de velocidad. A partir de la curva característica a velocidad omial, la curva característica de TDH (Q) a TDH N otra velocidad diferete puede trazarse, puto a puto, situado los putos homólogos e ua parábola, como se ilustra e la figura 16. De forma semejate, la curva característica P (Q), puede trazarse, puto a puto, co putos homólogos localizados e ua curva cúbica, como se puede ver e la figura 17. Variació del caudal e u circuito determiado Como se ha visto ates, es posible variar el caudal de ua bomba a velocidad fija utilizado ua válvula colocada aguas abajo. Este tipo de fucioamieto se puede ver e la figura 9. La figura 18 represeta la reducció de la potecia alcazada cuado el caudal se varía alterado la velocidad de giro de la bomba. La potecia útil sumiistrada por la bomba es proporcioal a las áreas rectagulares sombreadas; se evidecia ua reducció sigificativa de potecia e la cofiguració de velocidad variable. N x.8 Q (m 3 /s) Fig. 16: Características de ua bomba cetrífuga para dos valores de velocidad. P (W) N Q (m 3 /s) N x.8 Q (m 3 /s) Q (m 3 /s) Fig. 17: Características P(Q) de ua bomba cetrífuga para dos valores de velocidad. Fig. 18: Variació de cuadal a velocidad costate y a velocidad variable. Cuadero Técico Scheider 214 / p. 14

15 Variar la velocidad de giro permite usar la bomba siempre e su ivel de eficiecia más alto. E este caso, las áreas rectagulares sombreadas so directamete proporcioales a la potecia absorbida por la bomba. E la figura 19 se muestra el modo e que varía la potecia absorbida e este ejemplo. Variació de potecia e diferetes tipos de circuitos La variació de potecia absorbida por la bomba e fució del caudal depede de las características del circuito e el que se utiliza. El parámetro que tiee que teerse e cueta es la relació etre la presió e el puto de fucioamieto omial de la bomba y la presió Z a caudal cero (ver figura 7). Tomado H como la TDH e el puto de fucioamieto omial de la bomba, se puede defiir los siguietes tipos de circuitos diferetes: Z = : circuito sólo co caídas de presió, Z =,85 H : sumiistro típico de agua (la altura geométrica es u factor prepoderate), Z =,5 H : valor itermedio. La parte superior de la figura 2 muestra que, para obteer ua reducció similar e el caudal de Q hasta Q r, la dismiució de velocidad de la bomba será diferete depediedo del tipo de circuito. De ahí se deduce diferetes curvas de potecia e fució del caudal, como se muestra e la gráfica iferior de la misma figura. Cuato más dismiuya la velocidad, mayor será la reducció de potecia. A Q (m 3 /s) P (W) Q (m 3 /s) P (W) P Q r Q Q (m 3 /s) Q (m 3 /s) Fig. 19: Variació de la potecia a velocidad variable. Z = Z =.5 A Z =.85 A Fig. 2: Variació de la potecia para diferetes tipos de circuitos. Cuadero Técico Scheider 214 / p. 15

16 Ejemplo del cálculo de la reducció de potecia Vamos a cosiderar ua motobomba co ua potecia de 1 kw colocada e u circuito co ua caída de presió Z igual a la mitad de la altura maométrica omial de la bomba (Z =,5 H ). Se desea comparar la eergía cosumida co el 8% del caudal omial cuado la bomba se utiliza a su velocidad omial o a velocidad reducida. Se ha motado ua válvula aguas abajo para reducir el caudal a velocidad omial. Redimieto del motor: h motor =,95 a velocidad omial, h motor =,93 al 8% de la velocidad omial. Redimieto del variador de velocidad: h variador =,97. La potecia absorbida e cada caso se ha idicado e la figura aterior y se cocreta e la figura 21. Co u caudal del 8% del omial, la potecia absorbida a velocidad omial es el 94% de la potecia omial. Co este mismo caudal, la potecia absorbida a velocidad reducida es el 66% de potecia la omial. La potecia eléctrica a velocidad omial: 1 1 Pf = P..P ( Q ) = 1.., 94 = 98, 9 kw η, 9 5 m o to r Potecia eléctrica a velocidad reducida: 1 1 Pr = P...P ( Q ) = η η m otor var iador 1 1 = 1.., 6 6 = 7 3,1 k W, 9 3, 9 7 La diferecia e el cosumo de potecia es de 25,8 kw, lo que represeta u ahorro de eergía de 226 MWh al año supoiedo u trabajo cotiuo y u ahorro de 11 3 por año, supoiedo u coste de,5 /kwh. Programa Eco8 Este software de aplicació de Scheider Electric permite estimar, para los casos geerales, el ahorro de eergía que puede coseguirse variado la velocidad e lugar de utilizar las técicas tradicioales, como estragular el caudal co válvulas aguas abajo o usar circuitos bypass. P (%) Q (%) Fig. 21: Variació de potecia. Fig. 22: Programa Eco8. Cuadero Técico Scheider 214 / p. 16

17 Reducció de potecia respecto al fucioamieto e régime itermitete (marcha - paro) El uso itermitete de ua bomba de velocidad fija se ha presetado como ua posible solució para el ajuste del caudal medio e u circuito. Vamos a poer u ejemplo del ahorro que puede coseguirse variado la velocidad. Cosideremos u circuito cuya altura maométrica a caudal cero, Z, es igual a la mitad de la altura maométrica omial de la bomba; o sea: Z =,5. H. La altura maométrica e el circuito, e fució del caudal, es: 2 H = Z + k1. Q (1) Si Q es el caudal omial de la bomba, se obtiee: 2 H = Z + k = 1. Q, co Z, 5.H, 5 H siedo k1 = (2). 2 Q Sustituyedo e la ecuació (1), se obtiee: H, 5 H 1 Q = + Q 2 (3) Se supoe que el caudal deseado es la mitad del caudal omial. E el caso de ua bomba a velocidad fija, ésta requiere arraques y paradas a potecia omial, co u ciclo de 1/2. La potecia media ecesaria vedrá dada por: 1 Pm e d ia = k..h. Q 2 El coeficiete k tiee e cueta el redimieto de la bomba, que se supoe óptimo e el puto de trabajo omial (H. Q ). Cuado se utiliza co velocidad reducida, la potecia es: Q Pr = k.h.. 2 Podemos usar el mismo coeficiete k si asumimos que la bomba trabaja a ua velocidad reducida y a su ivel óptimo de redimieto. La altura maométrica H se puede calcular usado la ecuació (3) co Q = Q /2, obteiédose: 5 1 P =. k..h. Q 8 2 r obteiédose: P r =,62. P med. Por tato, el uso de ua bomba trabajado a velocidad reducida permite, e este ejemplo, que la potecia absorbida se reduzca cerca de u 4%, si teer e cueta las pérdidas e el motor y e el variador de velocidad. H Z = H /2 Circuito Bomba a velocidad omial Bomba a velocidad reducida Q Q Q (m 3 /2 /s) Fig. 23: Características de la bomba y del circuito. Bombas e paralelo co velocidad variable El trabajo de ua cofiguració multibomba presetada ateriormete (ver figura 11) puede mejorarse sigificativamete utilizado además u sistema co velocidad variable. La cofiguració más comúmete usada, implica variar la velocidad de ua bomba y usar las otras a velocidad fija. El uso de ua bomba de velocidad variable permite cubrir el rago etero (H, Q), como se ilustra e la figura 24. La utilizació de ua bomba co velocidad variable permite mateer la presió e el circuito e u valor predetermiado. Si la presió cae o aumeta respecto al valor predetermiado, se evía ua orde de aceleració o desaceleració al variador de velocidad. Si se alcaza la velocidad máxima o míima de la bomba, ua de las bombas de velocidad fija arracará o se parará, segú el caso. Co ua bomba de velocidad variable se cosigue además evitar grades diferecias de presió, como las que se represeta e las figuras 14 y 15. Este sistema tambié permite ua reducció e el úmero de arraques y paradas de los motores al evitar los grades cambios de presió o fluctuacioes de caudal, lo que ocurre cuado ua bomba de velocidad fija arraca o para. Esto reduce la sobrecarga e los motores y el riesgo de u golpe de ariete. Q Q Q (m 3 V 1 Q 1+2 Q /s) Fig. 24: Utilizació de ua bomba a velocidad variable. Cuadero Técico Scheider 214 / p. 17

18 Comparació de las diferetes solucioes E el siguiete ejemplo, se compara las diferetes opcioes para la reducció del caudal: estragular, mediate la utilizació de válvulas, ua bomba girado a ua velocidad variable (bomba pricipal) y otras bombas girado a velocidad fija, todas las bombas girado a ua velocidad variable. Cosideremos ua cofiguració co 3 motobombas idéticas e paralelo, cada ua co ua potecia de 1 kw, co el 1% del caudal. La altura maométrica estática Z del circuito es la mitad de la altura maométrica total (Z =,5 H ). La comparació de las diferetes opcioes se hace al 7% de la capacidad total, o sea, el 21% del caudal omial de cada bomba sola. Las curvas características de las bombas se represeta e la figura 25, para diferetes valores de velocidad de giro. Utilizado válvulas de reducció (estragulamieto), la potecia de cada bomba, girado a su velocidad máxima, se reduce a 85 kw. La potecia total es etoces 255 kw. E la figura 26 se ve el fucioamieto co ua bomba pricipal a ua velocidad reducida. Como cosecuecia, el caudal de ua bomba, girado a máxima velocidad, aumeta a 13%, co u aumeto de potecia absorbida de alrededor de u 7%. Como el caudal total solicitado es el 21% del caudal omial de ua úica bomba, sólo se ecesita ua bomba girado a velocidad máxima. El caudal impulsado por la bomba pricipal es etoces igual a = 8% de caudal omial. Para este caudal y altura maométrica, la bomba está girado aproximadamete al 87% de su velocidad omial y la potecia absorbida es de alrededor de 66 kw. Para esta opció, la potecia total es igual a = 173 kw. Co las tres bombas girado a la misma velocidad reducida, su velocidad se debe ajustar al 85% de su velocidad omial. La potecia de cada bomba se reduce a 6 kw. La potecia total e esta opció es etoces igual a 3 x 6 = 18 kw. Se puede cocluir que el uso de velocidad variable produce ua sigificativa reducció de la potecia total. E el ejemplo presetado aquí, la mejor eficiecia se obtiee co ua sola bomba a velocidad variable, pero la bomba a velocidad fija debe sobredimesioarse. H Circuito H Circuito P (kw) P (kw) Fig. 25: Características de la bombas y del circuito. Fig. 26: Utilizació de ua bomba a velocidad variable. Cuadero Técico Scheider 214 / p. 18

19 Otras vetajas de la variació de velocidad Además de las vetajas citadas, el uso de variadores de velocidad permite ua mayor flexibilidad e el diseño y la puesta e marcha de las istalacioes. E particular permite: La elimiació de las válvulas para ajustar el caudal máximo: si la bomba está sobredimesioada, el trabajo a velocidad reducida permite evitar las pérdidas de eergía causadas por ua válvula estraguladora de caudal. La reducció de ruido y vibracioes: el uso de u variador de velocidad sigifica que la bomba o tiee que utilizarse durate largos periodos a velocidad fija, lo que puede causar resoacia e las tuberías. Meor riesgo de golpe de ariete y cavitació: estos feómeos, que surge como resultado de variacioes rápidas de la velocidad de la bomba, se evita gracias a las aceleracioes y desaceleracioes graduales que produce los variadores de velocidad. La sustitució de motores de dos velocidades y de otros aparatos de cotrol de velocidad obsoletos que ofrece u redimieto meor. La vida del rodete de ua bomba está relacioada co su velocidad tagecial. Por lo tato, reducir la velocidad del motor mejorará la fiabilidad de los mecaismos de impulsió. El cotrol de la velocidad permite a la bomba fucioar co u redimieto máximo y aumeta la esperaza de vida de rodamietos y jutas. Para alimetar estos motores a velocidad variable, Scheider Electric ofrece la gama Altivar 61, de variadores de velocidad, que se ha diseñado especialmete para aplicacioes de bombeo. Las tarjetas electróicas dispoibles como opció permite u cotrol óptimo e aplicacioes complejas. P (kw) Circuito Fig. 27: Utilizació de tres bombas a velocidad variable. Fig. 28: Gama de variadores de velocidad Altivar 61 de Scheider Electric. Cuadero Técico Scheider 214 / p. 19

20 3 Vetiladores 3.1 Geeralidades Los vetiladores so máquias diseñadas para impulsar u fluido gaseoso co poca compresió. Está goberados por las mismas leyes de la mecáica de fluidos que se aplica a las bombas cetrífugas, por lo que existe umerosas aalogías etre los dos tipos de máquias. Hay muchas cofiguracioes diferetes de vetiladores. La figura 29 preseta dos ejemplos de esto: u vetilador cetrífugo o radial y u vetilador helicoidal o axial. La presió diferecial creada por el vetilador puede ser expresada como la altura geométrica del fluido, como e el caso de las bombas. La figura 3 muestra la relació etre la altura maométrica H y la potecia P, e el caso del vetilador cetrífugo, varía e fució del caudal Q, a ua velocidad co giro costate. E la mayoría de los casos, el circuito de salida o preseta ua presió diferecial otable (los circuitos de etrada y de salida está los dos a presió atmosférica). La forma de la curva característica del circuito se puede explicar por las caídas de presió que so proporcioales al cuadrado del caudal. La curva H (Q) del circuito es, por tato, ua parábola que pasa por el orige. El puto de fucioamieto de u vetilador istalado e u circuito se determia por la itersecció de dos curvas características la del vetilador y la del circuito, como se idica e la figura 31. El área de la izquierda del pico de la curva característica debe evitarse, porque preseta riesgo de iestabilidad y podría llevar a oscilacioes de caudal y de presió, así como a u ruido aormal y u estrés mecáico cosiderable. Fig. 29: Ejemplo de vetiladores: cetrífugo (a la izquierda) y helicoidal (a la derecha), co sus motores de arrastre. A Vetilador H P Circuito Q Q (m 3 /s) Fig. 3: Características típicas de u vetilador cetrífugo. Q Q (m 3 /s) Fig. 31: Puto de fucioamieto de u vetilador e u circuito. Cuadero Técico Scheider 214 / p. 2

21 3.2 Fucioamieto a velocidad fija Para variar el caudal de los vetiladores fucioado a velocidad fija se utiliza diversos tipos de aparatos mecáicos. Aparatos colocados aguas abajo del vetilador El pricipio cosiste e colocar u aparato detro del coducto de aire para cotrolar las caídas de presió del circuito. Depediedo del tamaño del coducto, el aparato puede ser ua válvula, ua compuerta o u cojuto multicompuerta. Este método es la maera más simple de variar el caudal, pero su eficiecia eergética es baja. E la figura 33, se puede ver este sistema, e el que se puede cambiar las características del circuito. Para los dos putos de fucioamieto represetados, los valores de la potecia útil, que so proporcioales a las áreas rectagulares sombreadas, so muy parecidos. Co caudales bajos, ua parte sigificativa de la eergía se disipa e el fluido. Fig. 32: Ejemplo de ua abertura o registro de multicompuerta. Aparatos istalados aguas arriba del vetilador El objetivo de estos aparatos es alterar la curva característica del vetilador, es decir, desplazar el puto de fucioamieto pero si cambiar la curva característica del circuito. La eficiecia eergética mejora sigificativamete porque, co u caudal reducido, el vetilador o produce presió superflua. Se ha desarrollado diversas tecologías, icluyedo: registros, válvulas de mariposa, compuertas y aspas orietables. Co todos estos aparatos, las curvas características del vetilador se modifica como se idica e la figura 35. Los valores de la potecia útil so proporcioales a las áreas rectagulares sombreadas y podemos observar ua reducció sigificativa de la potecia a caudal reducido. Esta alteració de las curvas características produce ua meor pérdida de eficiecia que la causada por la istalació de ua compuerta e cualquier puto del circuito. Fig. 33: Ajuste del caudal mediate u dispositivo aguas abajo. Fig. 35: Ajuste del caudal mediate u dispositivo aguas arriba. Q (m 3 /s) Q (m 3 /s) Fig. 34: Ejemplo de dispositivos situados aguas arriba: compuerta multi-lama ( izquierda), aspas orietables (derecha). Cuadero Técico Scheider 214 / p. 21

22 Otros aparatos Co vetiladores helicoidales, el caudal puede ajustarse variado el águlo de las aspas. A causa de la complejidad del mecaismo, esta técica sólo se utiliza e grades vetiladores. Este método es de gra eficiecia eergética. El caudal tambié se puede ajustar utilizado u circuito bypass, pero es atiecoómico ya que el cosumo de eergía es siempre el máximo idepedietemete del caudal efectivo. Observacioes. E muchos casos, los vetiladores está sobredimesioados para obteer u caudal máximo que es más grade que el caudal ecesario. E este caso, se istala compuertas para reducir el caudal o la velocidad del aire de la salida y se ajusta e la puesta e marcha de la istalació. Esto resulta e ua caída de presió costate que reduce la eficiecia eergética. Otro icoveiete del fucioamieto a velocidad fija es que el ivel de ruido es siempre máximo. Cuadero Técico Scheider 214 / p. 22

23 3.3 Fucioamieto a velocidad variable Las características fudametales de u vetilador está viculadas directamete a su velocidad de giro. Si cosideramos el vetilador idividualmete a ua velocidad co giro N diferete de la velocidad omial N : el caudal Q es proporcioal a (N/N ), la altura maométrica H es proporcioal a (N/N ) 2, la potecia P es proporcioal a (N/N ) 3. Basádoos e la curva característica a velocidad omial, la curva característica H (Q) a ua velocidad diferete se puede trazar, co putos homólogos, formado ua parábola como se ilustra e la figura 36. Aálogamete, la curva característica P (Q) se puede trazar, co los putos homólogos, formado ua curva cúbica, como se ilustra e la figura 37. La figura 38 muestra el desplazamieto de la curva característica a diferetes velocidades y el caudal resultate para u circuito determiado. Variar la velocidad permite utilizar el vetilador siempre a su ivel más alto de eficiecia. Esto sigifica que las áreas rectagulares sombreadas so directamete proporcioales a la potecia absorbida por los vetiladores. La variació de la velocidad es, por tato, el método que ofrece la mayor eficiecia eergética. La figura 39 compara las variacioes de potecia que produce los tres métodos pricipales de variació del caudal: aparato istalado aguas abajo, aparato istalado aguas arriba, velocidad variable. P (W) N N x.8 Q (m 3 /s) Fig. 37: Curvas características P(Q) de u vetilador a dos velocidades diferetes. Q (m 3 /s) Fig. 38: Variació de caudal por variació de la velocidad del vetilador. hacia abajo hacia arriba Vel. var. N P (W) hacia abajo hacia arriba Vel. var. N x.8 Q (m 3 /s) Q (m 3 /s) Fig. 36: Curvas características de u vetilador a dos velocidades diferetes. Fig. 39: Curva potecia/caudal para varios métodos de regulació. Cuadero Técico Scheider 214 / p. 23

24 Ejemplos de cálculos de reducció de potecia Cosideraremos u vetilador cetrífugo de ua potecia de 1 kw. El vetilador está ligeramete sobredimesioado, lo que sigifica que el caudal máximo e el circuito debe ajustarse al 9% del caudal omial del vetilador para limitar la velocidad del aire e la salida. E u periodo de 24 horas, se requiere u caudal del 9% para u periodo de 12 horas (día) y u caudal de 5% para u periodo de 12 horas (oche). Deseamos comparar los diferetes métodos de regulació. Redimieto del motor: h motor =,95 a velocidad omial, h motor =,94 al 9% de la velocidad omial, h motor =,89 al 5% de la velocidad omial. Redimieto del variador de velocidad: h var =,97. La potecia absorbida por este vetilador co los diferetes métodos de regulació se puede ver e las curvas mostradas ateriormete e la figura 39 y se detalla e la figura 4. La fórmula geeral de cálculo de la potecia, a velocidad omial, es la siguiete: P (%) abajo arriba Vel. Var Q (%) Fig. 4: Variació de la potecia absorbida. 1 Pf = P..P Q η m o to r ( ) A velocidad reducida, la fórmula tiee e cueta la eficiecia del variador de velocidad: 1 1 Pr = P...P ( Q ) η η m otor var iador E la tabla siguiete se muestra los resultados del cálculo de la potecia para los diferetes métodos, e kw. Método kw co,9 x Q kw co,5 x Q Aguas abajo Aguas arriba 8 48 Variador de velocidad La eergía cosumida se calcula multiplicado la potecia por el tiempo de fucioamieto, para cada periodo (día y oche): 12 horas/día x 365 días = 4 38 horas/año, asumiedo que el vetilador está e marcha cotiuamete. Asumiedo u coste de,5 /kwh, el uso de la velocidad variable permite u ahorro aual de 19 6 comparado co utilizar u aparato istalado aguas abajo, y 5 1 comparado co utilizar u aparato istalado aguas arriba. El software de aplicació Eco8 presetado ateriormete, permite realizar este tipo de cálculo para todos los casos (selecció de la potecia del motor, cotrol del caudal aguas arriba o aguas abajo, defiició de la velocidad de fucioamieto). Método kwh Aguas abajo Aguas arriba Variador de velocidad Cuadero Técico Scheider 214 / p. 24

25 Vetiladores fucioado e paralelo Los fluidos gaseosos puede ser impulsados co caudales elevados istalado vetiladores e paralelo. Geeralmete, se usa vetiladores idéticos. La curva característica se obtiee por la suma de caudales a ua misma presió, como se ilustra e la figura 41. Podemos ver que e u circuito determiado, como resultado del aumeto cuadrático e la caída de presió e fució del caudal, el caudal resultate co dos vetiladores, o es el doble del caudal obteido co u solo vetilador. El caudal Q 1 represetado e la figura 41, se puede obteer haciedo fucioar sólo el vetilador 1 a su velocidad omial o haciedo fucioar los dos vetiladores a la vez a velocidad reducida. Se puede ver este tipo de fucioamieto e la figura 42, que represeta la curva característica de los dos vetiladores que está fucioado al mismo tiempo a velocidad reducida N r. E el ejemplo represetado, la velocidad reducida es aproximadamete igual a 2/3 de la velocidad omial N. Por tato, cada vetilador absorbe ua potecia de (2/3) 3 veces la potecia omial P de u vetilador. Por tato, la potecia total es: 2 P = 2..P, 6.P 3 3 t Por tato, utilizar dos vetiladores a velocidad reducida ahorra por tato u 4% de eergía respecto a la cosumida co u úico vetilador a velocidad omial. El ahorro de eergía coseguido es icluso mayor co ua cofiguració multi-vetilador fucioado a ua presió muy baja o icluso ula. Cosideremos, por ejemplo, ua cofiguració dode seis vetiladores de potecia omial P está istalados e paralelo, co poca presió de salida. Para obteer u caudal igual a la mitad del caudal máximo, tres vetiladores puede estar fucioado a velocidad omial o todos, los seis vetiladores, puede fucioar a la mitad de la velocidad omial. E el primer caso, la potecia sería: H Fig. 41: Curva característica de dos vetiladores fucioado e paralelo. H 1 Q Q Q (m /s) Q Q Q (m 3 r /s) Fig. 42: Fucioamieto de dos vetiladores a velocidad reducida. N r N P1 = 3. P E el segudo caso, la potecia sería: P1 P2 = 6..P =.P = Por tato, este es otro ejemplo e el que se reduce sustacialmete el cosumo, cuado se utiliza variadores de velocidad. Para cotrolar la velocidad de los vetiladores, Scheider Electric ofrece la gama de variadores de velocidad Altivar 21, que está especialmete adaptada a la calefacció, la vetilació y el aire acodicioado (HVAC). Fig. 43: Gama de variadores de velocidad Altivar 21 de Scheider Electric. Cuadero Técico Scheider 214 / p. 25

26 4 Compresores 4.1 Geeralidades La fució fudametal de u compresor es aumetar la presió de u gas de la presió de succió hasta la presió de descarga. La compresió de aire y gas tiee umerosas aplicacioes e la idustria. Se puede citar: La producció de eergía mecáica para diferetes tipos de actuadores (atorilladores, cilidros (gatos) eumáticos, etc.). La producció de gases idustriales para su licuefacció (itrógeo, oxígeo, gas atural, etc.). Aire acodicioado y refrigeració. Aireació e tratamieto de aguas residuales e platas depuradoras. Las ecesidades e térmios de caudal y presió varía mucho, por eso se ha desarrollado diferetes tecologías. Las más comues so: compresores cetrífugos, compresores de torillo, compresores de pistoes, compresores de paletas, turbocompresores. Fig. 44: Ejemplo de compresor de torillo. E geeral, el par de motor desarrollado aumeta co la velocidad, pero el par de arraque, a veces, puede ser alto, como e el caso de los compresores de pistoes. Como pudimos ver ates, co las bombas y los vetiladores, el puto de fucioamieto del compresor depede e las características del circuito del fluido, como se ilustra e la siguiete figura 45 (para u compresor cetrífugo). Presió P Circuito Compresor Q Q (m 3 /s) Fig. 45: Puto de fucioamieto de u compresor cetrífugo. Cuadero Técico Scheider 214 / p. 26

27 4.2 Fucioamieto co carga variable Para ateder las fluctuacioes de demada del sistema, todos los compresores icorpora u aparato para la regulació de presió. Se cita a cotiuació los métodos pricipales de regulació, que so adecuados a las características de las diferetes tecologías: Arraque y parada del compresor. El fucioamieto itermitete es adecuado para los compresores de potecia baja que puede arracarse frecuetemete si icoveietes iaceptables. Durate las fases de fucioamieto, el compresor fucioa a su ivel óptimo de eficiecia. Recirculació o evacuado del exceso de caudal. Por su baja eficiecia de eergética, este método de fucioamieto sólo se aplica a los sistemas de baja potecia. Reducció de parte o de toda la carga mediate la actuació de la válvula o la compuerta de succió del compresor. El compresor trabaja a ua carga reducida o cero, así se reduce la potecia eléctrica absorbida. Istalació de varios compresores e paralelo. El úmero de compresores e marcha puede ajustarse a la demada. Variació de la velocidad del compresor. Este método es el que tiee mejor redimieto eergético. 4.3 Fucioamieto a velocidad variable Variar la velocidad de u compresor es u método adecuado para la mayoría de las tecologías. Preseta u gra úmero de vetajas: Arraque e rampa: si picos de corriete, se reduce el estrés mecáico. Regulació precisa de la presió. La velocidad del compresor y, por tato, el caudal puede ajustarse a la demada, lo que reduce la amplitud de las fluctuacioes de presió y el tamaño de los depósitos de acumulació. Eficiecia óptima: fucioar si caídas de presió e el circuito, permite la reducció de las pérdidas de eergía. La variació de velocidad tambié es adecuada para los compresores que trabaja e paralelo. E geeral, sólo uo de los compresores fucioa a velocidad variable, mietras los otros lo hace e marcha - paro. La figura 46 muestra las curvas típicas de variació de potecia para los diferetes métodos de cotrol del caudal. P (%) Modulació O-Off Vel. Var Q (%) Fig. 46: Comparació etre los diferetes modos de regulació de los compresores. Cuadero Técico Scheider 214 / p. 27

28 5 Coclusió El uso de la variació de velocidad e máquias para fluidos, como bombas, vetiladores y compresores, es la mejor maera de reducir el cosumo de eergía e umerosas istalacioes idustriales y comerciales. El ahorro de eergía es particularmete sigificativo si se utiliza co frecuecia caudales reducidos. Las iversioes e variadores de velocidad se amortiza e tiempos muy cortos y posteriormete geera ahorros cosiderables. E estas aplicacioes, los variadores de velocidad, además del ahorro de eergía, aporta muchas otras vetajas. E cocreto, las exigecias mecáicas, como golpe de ariete, cavitació y picos de par motor se reduce sustacialmete mediate las aceleracioes y desaceleracioes graduales y cotroladas del motor. La vida útil de los equipos, por tato, aumeta. Además, la regulació del proceso se mejora y simplifica sigificativamete, porque se puede coseguir ua regulació fia del caudal y la presió. Está fuera del alcace de este documeto explicar a fodo del fucioamieto de bombas, vetiladores y compresores. Si embargo, se ha presetado los pricipios básicos juto co ejemplos que ilustra el ahorro de eergía que puede coseguirse co el uso de variadores de velocidad. Aexo 1: Bibliografía Folletos técicos de la Oficia Iteracioal del Agua, Limoges, Fracia. Etraiemets électriques à vitesse variable, Prométhée, Scheider Electric. Improvig pumpig system performace, Departameto de Eergía de Estados Uidos. Guía técica Systèmes de vetilatio. HydroQuébec, Motreal, Caadá. Guía técica Systèmes de compressio et de réfrigératio, HydroQuébec, Motreal, Caadá. Eergy Eficiecy Guide Book. Departameto de Eficiecia Eergética, Idia. Eergy savigs with electric Motors ad drives. Grupo AEA, UK. Cuadero Técico Scheider 214 / p. 28