Guia Bombas

2010

ÍNDICE ÍNDICE 1.

1. INTRODUCCIÓN INTRODUCCIÓN ... ... 55 2.

2. OBJETIVO OBJETIVO DE DE LA LA GUÍA GUÍA ... ... 77 3.

3. TIPOLOGÍA TIPOLOGÍA DE DE LOS LOS SISTEMAS SISTEMAS DE DE BOMBEO BOMBEO ... ... 88 3.1

3.1 TTIPOS DE BOMBASIPOS DE BOMBAS: : ... .... 88

3.1.1

3.1.1 Centrifugas Centrifugas (Dinámicas) (Dinámicas) ... 8.. 8 3.1.2

3.1.2 Desplazamiento Desplazamiento positivo: positivo: ... 9... 9 3.2

3.2 CCOMPONENTES DEL SISTEMA DE BOMBASOMPONENTES DEL SISTEMA DE BOMBAS... ... 1212

4.

4. IDENTIFICACIÓIDENTIFICACIÓN DE N DE OPORTUNIDADES OPORTUNIDADES DE EFICIENCDE EFICIENCIA ENERGÉTICA IA ENERGÉTICA ... ... 1313 4.1

4.1 RREGISTRO DEL SISTEMAEGISTRO DEL SISTEMA... ... 1313

4.2

4.2 MMOTOR ELÉCTRICOOTOR ELÉCTRICO... .. 1313

4.3

4.3 SSISTEMAISTEMA... ... 1313

5.

5. MEDIDAS MEDIDAS DE DE EFICIENCIA EFICIENCIA ENERGÉTICA ...ENERGÉTICA ... .. 1515 5.1 5.1 DDE OPERACIÓNE OPERACIÓN... ... 1515 5.2 5.2 DDE DISEÑOE DISEÑO... ... 1616 5.3 5.3 DDE MANTENCIÓNE MANTENCIÓN... ... 2121 5.4

5.4 MMEDIDAS DEEDIDAS DE EEEEPOR NIVEL DE INVERSIÓNPOR NIVEL DE INVERSIÓN... .. 2323

5.4.1

5.4.1 Medidas Medidas de de Baja Baja Inversión ...Inversión ... 23... 23 5.4.2

5.4.2 Medidas Medidas de de Mediana Mediana Inversión ....Inversión ... 23... 23 5.4.3

5.4.3 Medidas Medidas de de Alta Alta Inversión ...Inversión ... 23... 23 5.5

5.5 AAHORROS ESTIMADOS POR MEDIDAS DEHORROS ESTIMADOS POR MEDIDAS DE EE ...EE ... ... 2525

6.

6. CASOS CASOS PRÁCTICOS PRÁCTICOS ... 26. 26 6.1

6.1 CCONSUMO ENERGÉTICO Y COSTO ANUAL DE OPERACIÓN DE UNA BOMBA CENTRÍFUGAONSUMO ENERGÉTICO Y COSTO ANUAL DE OPERACIÓN DE UNA BOMBA CENTRÍFUGA. ... 26. ... 26

6.2

6.2 EESTIMACIÓN DEL AHORRO ENERGÉTICO Y ECONÓMICO DE LAS MEDIDAS DESTIMACIÓN DEL AHORRO ENERGÉTICO Y ECONÓMICO DE LAS MEDIDAS DE EE. ...EE. ... ... 2828

6.2.1

6.2.1 Medida Medida 1: 1: Control Control ... 28... 28 6.2.2

6.2.2 Medida Medida 2: 2: Uso Uso de de sellos sellos mecánicos mecánicos ... 31... 31 6.2.3

6.2.3 Medida Medida 3: 3: Reducción Reducción de de caudal caudal ... 33... 33 6.2.4

6.2.4 Medida Medida 4: Uso 4: Uso de varde variadores diadores de velocidad e velocidad ... 37.. 37 6.2.5

6.2.5 Medida 5: Medida 5: Instalar Instalar una bomba más una bomba más eficiente ...eficiente ... ... 4040 6.2.6

6.2.6 Medida Medida 6: C6: Cambio ambio del tdel tamaño amaño del motdel motor or ... 43... 43 7.

7. RELACIÓN RELACIÓN DE DE TÉRMINOS TÉRMINOS TÉCNICOS. TÉCNICOS. ... . 4545 8.

8. REFERENCIAS. REFERENCIAS. ... ... 4747 9.

9. ANEXOS. ANEXOS. ... ... 4848 9.1

9.1 PPRINCIPIOS DEL SISTEMA DE BOMBASRINCIPIOS DEL SISTEMA DE BOMBAS... ... 4848

9.1.1

9.1.1 Gasto Gasto Volumétrico Volumétrico (Q) ...(Q) ... 48... 48 9.1.2

9.1.2 Potencia Potencia de de la la bomba ...bomba ... 48... 48 9.1.3

9.1.3 Eficiencia Eficiencia de de la la bomba ...bomba ... 49... 49 9.1.4

9.1.4 Altura Neta Positiva de succión disponible (NPSH)Altura Neta Positiva de succión disponible (NPSH)disponibledisponible... ... 4949 9.1.5

9.1.5 Altura Neta Positiva de succión requerida (NPSH)Altura Neta Positiva de succión requerida (NPSH)requeridorequerido... ... 5050 9.1.6

9.1.6 Curvas Curvas características ...características ... ... 5151 9.1.7

9.1.7 Conexiones Conexiones entre entre bombas ...bombas ... 53.. 53 9.1.8

9.1.8 Conexión de Conexión de bomba cbomba con el on el sistema sistema de tuberíade tuberías s ... 54... 54 9.1.9

9.1.9 Aplicaciones Aplicaciones en en la la industria ...industria ... 56... 56 9.2

9.2 MMANTENIMIENTO DE LOSANTENIMIENTO DE LOS SSISTEMAS DEISTEMAS DEBBOMBEOOMBEO... ... 5959

9.2.1

9.2.1 Bomba Bomba ... ... 5959 Cancel Download And Print

Guía

Guía de de Asistencia Asistencia Técnica Técnica de de EE EE en en Sistemas Sistemas Motrices Motrices Pág. Pág. 22

ÍNDICE ÍNDICE 1.

1. INTRODUCCIÓN INTRODUCCIÓN ... ... 55 2.

2. OBJETIVO OBJETIVO DE DE LA LA GUÍA GUÍA ... ... 77 3.

3. TIPOLOGÍA TIPOLOGÍA DE DE LOS LOS SISTEMAS SISTEMAS DE DE BOMBEO BOMBEO ... ... 88 3.1

3.1 TTIPOS DE BOMBASIPOS DE BOMBAS: : ... .... 88

3.1.1

3.1.1 Centrifugas Centrifugas (Dinámicas) (Dinámicas) ... 8.. 8 3.1.2

3.1.2 Desplazamiento Desplazamiento positivo: positivo: ... 9... 9 3.2

3.2 CCOMPONENTES DEL SISTEMA DE BOMBASOMPONENTES DEL SISTEMA DE BOMBAS... ... 1212

4.

4. IDENTIFICACIÓIDENTIFICACIÓN DE N DE OPORTUNIDADES OPORTUNIDADES DE EFICIENCDE EFICIENCIA ENERGÉTICA IA ENERGÉTICA ... ... 1313 4.1

4.1 RREGISTRO DEL SISTEMAEGISTRO DEL SISTEMA... ... 1313

4.2

4.2 MMOTOR ELÉCTRICOOTOR ELÉCTRICO... .. 1313

4.3

4.3 SSISTEMAISTEMA... ... 1313

5.

5. MEDIDAS MEDIDAS DE DE EFICIENCIA EFICIENCIA ENERGÉTICA ...ENERGÉTICA ... .. 1515 5.1 5.1 DDE OPERACIÓNE OPERACIÓN... ... 1515 5.2 5.2 DDE DISEÑOE DISEÑO... ... 1616 5.3 5.3 DDE MANTENCIÓNE MANTENCIÓN... ... 2121 5.4

5.4 MMEDIDAS DEEDIDAS DE EEEEPOR NIVEL DE INVERSIÓNPOR NIVEL DE INVERSIÓN... .. 2323

5.4.1

5.4.1 Medidas Medidas de de Baja Baja Inversión ...Inversión ... 23... 23 5.4.2

5.4.2 Medidas Medidas de de Mediana Mediana Inversión ....Inversión ... 23... 23 5.4.3

5.4.3 Medidas Medidas de de Alta Alta Inversión ...Inversión ... 23... 23 5.5

5.5 AAHORROS ESTIMADOS POR MEDIDAS DEHORROS ESTIMADOS POR MEDIDAS DE EE ...EE ... ... 2525

6.

6. CASOS CASOS PRÁCTICOS PRÁCTICOS ... 26. 26 6.1

6.1 CCONSUMO ENERGÉTICO Y COSTO ANUAL DE OPERACIÓN DE UNA BOMBA CENTRÍFUGAONSUMO ENERGÉTICO Y COSTO ANUAL DE OPERACIÓN DE UNA BOMBA CENTRÍFUGA. ... 26. ... 26

6.2

6.2 EESTIMACIÓN DEL AHORRO ENERGÉTICO Y ECONÓMICO DE LAS MEDIDAS DESTIMACIÓN DEL AHORRO ENERGÉTICO Y ECONÓMICO DE LAS MEDIDAS DE EE. ...EE. ... ... 2828

6.2.1

6.2.1 Medida Medida 1: 1: Control Control ... 28... 28 6.2.2

6.2.2 Medida Medida 2: 2: Uso Uso de de sellos sellos mecánicos mecánicos ... 31... 31 6.2.3

6.2.3 Medida Medida 3: 3: Reducción Reducción de de caudal caudal ... 33... 33 6.2.4

6.2.4 Medida Medida 4: Uso 4: Uso de varde variadores diadores de velocidad e velocidad ... 37.. 37 6.2.5

6.2.5 Medida 5: Medida 5: Instalar Instalar una bomba más una bomba más eficiente ...eficiente ... ... 4040 6.2.6

6.2.6 Medida Medida 6: C6: Cambio ambio del tdel tamaño amaño del motdel motor or ... 43... 43 7.

7. RELACIÓN RELACIÓN DE DE TÉRMINOS TÉRMINOS TÉCNICOS. TÉCNICOS. ... . 4545 8.

8. REFERENCIAS. REFERENCIAS. ... ... 4747 9.

9. ANEXOS. ANEXOS. ... ... 4848 9.1

9.1 PPRINCIPIOS DEL SISTEMA DE BOMBASRINCIPIOS DEL SISTEMA DE BOMBAS... ... 4848

9.1.1

9.1.1 Gasto Gasto Volumétrico Volumétrico (Q) ...(Q) ... 48... 48 9.1.2

9.1.2 Potencia Potencia de de la la bomba ...bomba ... 48... 48 9.1.3

9.1.3 Eficiencia Eficiencia de de la la bomba ...bomba ... 49... 49 9.1.4

9.1.4 Altura Neta Positiva de succión disponible (NPSH)Altura Neta Positiva de succión disponible (NPSH)disponibledisponible... ... 4949 9.1.5

9.1.5 Altura Neta Positiva de succión requerida (NPSH)Altura Neta Positiva de succión requerida (NPSH)requeridorequerido... ... 5050 9.1.6

9.1.6 Curvas Curvas características ...características ... ... 5151 9.1.7

9.1.7 Conexiones Conexiones entre entre bombas ...bombas ... 53.. 53 9.1.8

9.1.8 Conexión de Conexión de bomba cbomba con el on el sistema sistema de tuberíade tuberías s ... 54... 54 9.1.9

9.1.9 Aplicaciones Aplicaciones en en la la industria ...industria ... 56... 56 9.2

9.2 MMANTENIMIENTO DE LOSANTENIMIENTO DE LOS SSISTEMAS DEISTEMAS DEBBOMBEOOMBEO... ... 5959

9.2.1

9.2.1 Bomba Bomba ... ... 5959 9.2.2

9.2.2 Motor Motor ... ... 5959 Cancel Download And Print

9.2.3

9.2.3 Mantenimiento Mantenimiento según según tipo ...tipo ... 60... 60 9.3

9.3 EEJEMPLO DE DISEÑO DE UN SIJEMPLO DE DISEÑO DE UN SISTEMA DE BOMBEOSTEMA DE BOMBEO ... ... 8181

9.4

9.4 MMOTORESOTORES EELÉCTRICOSLÉCTRICOS... ... 8585

9.4.1

9.4.1 Introducción Introducción ... . 8585 9.4.2

9.4.2 Escenarios Escenarios de de evaluación ...evaluación ... 85... 85 9.4.3

9.4.3 Caracterización Caracterización del del parque actual parque actual de motores de motores ... ... 8686 9.4.4

9.4.4 Caracterización Caracterización de los de los motores nuevos ...motores nuevos ... ... 8787 9.4.5

9.4.5 Determinación de criterios de decisión para la selección de motoresDeterminación de criterios de decisión para la selección de motores eléctricos

eléctricos basados basados en en el el CAE...CAE... 90. 90 Índice de Figuras

Índice de Figuras Figura 1 Pr

Figura 1 Proporción típica oporción típica de los costos de los costos del ciclo de del ciclo de vida de un svida de un sistema de bombeo istema de bombeo ... ... 66 Figura

Figura 2 2 Tipos Tipos de de bombas bombas ... 8... 8 Figura

Figura 3 3 Bomba Bomba centrífuga ....centrífuga ... 9... 9 Figura

Figura 4 4 Bomba Bomba centrífuga ....centrífuga ... 9... 9 Figura

Figura 5 5 Bomba Bomba reciprocante reciprocante ... 10... 10 Figura 6

Figura 6 Bomba de lóbulos dBomba de lóbulos dobles (A: Pistón rotatorio 1; obles (A: Pistón rotatorio 1; B: Cuerpo de la B: Cuerpo de la bomba; C:bomba; C: pistón

pistón rotatorio rotatorio 2) ...2) ... ... 1010 Figura

Figura 7 7 Bomba Bomba de de engranajes ...engranajes ... 11... 11 Figura 8

Figura 8 Componentes de Componentes de un sistema un sistema de bombeo ...de bombeo ... 12... 12 Figura 9

Figura 9 Bomba centrífuga Bomba centrífuga con inductor (con inductor (rodete auxiliar rodete auxiliar previo) ..previo) ... ... 1717 Figura 10 Va

Figura 10 Variación del riación del NPSH requerido sNPSH requerido sin y con iin y con inductor en función al nductor en función al caudal caudal ... ... 1818 Figura

Figura 11 11 Bombas Bombas en en paralelo ...paralelo ... 19... 19 Figura

Figura 12 Insta12 Instalación de lación de 3 3 bombas en bombas en paralelo paralelo ... ... 1919 Figura

Figura 13 13 Diagrama Diagrama de de CAMERER ...CAMERER ... 21... 21 Figura 14

Figura 14 Diagrama Diagrama de Sankey de Sankey para Bomba para Bomba Estudiada Estudiada ... 27. 27 Figura

Figura 15 F15 Factor actor de potencia de potencia y efiy eficiencia eciencia eléctrica léctrica ... 29... 29 Figura

Figura 16 Pote16 Potencia mecáncia mecánica consumida nica consumida por por eje ....eje ... 31... 31 Figura

Figura 17 F17 Factor actor de potencia de potencia y efiy eficiencia eciencia eléctrica léctrica ... 34... 34 Figura

Figura 18 18 Pérdidas Pérdidas de de Conducción Conducción ... 35. 35 Figura

Figura 19 F19 Factor actor de potencia de potencia y efiy eficiencia eciencia eléctrica léctrica ... 38... 38 Figura

Figura 20 F20 Factor actor de potencia de potencia y efiy eficiencia eciencia eléctrica léctrica ... 41... 41 Figura

Figura 21 F21 Factor actor de potencia de potencia y efiy eficiencia eciencia eléctrica léctrica ... 43... 43 Figura

Figura 22 22 NPSH ...NPSH ... ... 5050 Figura

Figura 23 C23 Curvas caurvas características racterísticas de una de una bomba bomba ... ... 5151 Figura 24

Figura 24 Punto de fuPunto de funcionamiento de la ncionamiento de la instalación ...instalación ... ... 5252 Figura

Figura 25 25 Conexión Conexión en en serie serie ... 53... 53 Figura

Figura 26 26 Conexión Conexión en en paralelo ...paralelo ... 53... 53 Figura

Figura 27 Si27 Sistema sstema sólo cólo con pérdidas on pérdidas de friccde fricción ión ... ... 5454 Figura 28

Figura 28 Sistema Sistema incluyendo pérdidas incluyendo pérdidas por friccpor fricción y ión y altura esaltura estática tática ... ... 5555 Figura

Figura 29 29 Bomba Bomba de desde desplazamiento plazamiento positivo ...positivo ... 56... 56 Figura

Figura 30 30 Bomba Bomba de de engranajes ...engranajes ... 56... 56 Figura

Figura 31 Bomba 31 Bomba de alta de alta presión presión vertical vertical y horiy horizontal zontal ... 57... 57 Figura

Figura 32 32 Bombas Bombas multietápica multietápica horizontal horizontal ... 57... 57 Figura

Figura 33 33 Bomba Bomba lobular lobular ... 58... 58 Figura 34

Figura 34 Bomba de Bomba de pistón cpistón circunferencial exterircunferencial externo ...no ... ... 5858 Figura 35

Figura 35 Impulsor afectImpulsor afectado por ado por la cavitacla cavitación ...ión ... 62... 62 Figura 36

Figura 36 Esquema de Esquema de un Sistun Sistema de ema de Bombeo ...Bombeo ... 66... 66 Figura 37

Figura 37 Variación en Variación en el Tiempo el Tiempo de la Pde la Presión en resión en el Ducto .el Ducto ... ... 6767 Figura 38

Figura 38 Procedimiento de Procedimiento de un Análisis un Análisis de Vibraciones ...de Vibraciones ... ... 7070 Figura 39

Figura 39 Señal eSeñal encontrada en ncontrada en el Análisel Análisis de is de Vibraciones Vibraciones ... ... 7171 Cancel Download And Print

Guía de Asistencia Técnica de EE en Sistemas Motrices Pág. 4

Figura 40 Curva característica de la bomba seleccionada ... 84

Figura 41 Probabilidad de Falla de un Motor ... 87

Índice de Tablas Tabla 1 Medidas de EE por nivel de Inversión ... 23

Tabla 2 Ahorros estimados por medidas de EE ... 25

Tabla 3 Aplicaciones Industriales ... 56

Tabla 4 Plan de mantenimiento de una bomba centrífuga ... 61 Cancel Download And Print

1. INTRODUCCIÓN

La Guía de Asistencia Técnica (AT) de Eficiencia Energética (EE) en Sistemas de Bombeo es una guía basada en información técnica y dirigida a quienes estén interesados en conocer y poner en práctica medidas que optimicen la operación de los sistemas y generen ahorros de energía, estás medidas pueden requerir de inversiones que perfectamente pueden ser financiadas por los ahorros de energías generados por su implementación. El conocimiento de los principios de funcionamiento, aplicaciones, operación y la mantención de estos sistemas nos proporcionan herramientas para identificar y evaluar la viabilidad técnica y financiera de las oportunidades que brinda la eficiencia energética.

La guía desarrolla los siguientes tópicos:

• Descripción de los principios, componentes, aplicaciones industriales y operación de un sistema de bombeo.

• Proporcionar recomendaciones para la optimización de la operación y

mantenimiento, así como también para generar ahorros a través de las mejoras por redimensionamiento de los sistemas y/o aplicación de tecnologías eficientes en los sistemas, y

• Desarrollar herramientas de evaluación que faciliten, a los que toman decisiones, tener en cuenta tecnologías eficientes que se financien con los ahorros generados.

Guía de Asistencia Técnica de EE en Sistemas Motrices Pág. 6

Se conoce según algunas fuentes que los costos de energía y mantenimiento de los sistemas de bombeo están alrededor del 50%-90% y los de inversión inicial son alrededor del 15% del costo total del ciclo de vida. La guía incluye todo lo relacionado con la tecnología de las bombas, información orientada hacia el logro de la reducción del porcentaje de los costos de energía.

Figura 1 Proporción típica de los costos del ciclo de vida de un sistema de bombeo

Fuente: Pump Life Cycle Costs; A Guide to LCC Analysis for Pumping Systems.

2 _{Pump Life Cycle Costs; A Guide to LCC Analysis for Pumping Systems, Executive Summary US Department} of Energy – Energy Efficiency and Renewable Energy, Hydraulic Institute and Europump, January 2001. http://www1.eere.energy.gov./industry/bestpractices/motors.html

2. OBJETIVO DE LA GUÍA

La presente guía tiene por objetivos:

• Brindar conceptos claros para la puesta a punto de los equipos, logrando así  mejor empleo de la energía.

• Proporcionar al usuario de las máquinas una idea clara del estado en que se encuentran sus equipos.

• Incentivar el uso de las buenas prácticas de ingeniería, para una mejor optimización en el uso de la energía.

Guía

Guía de de Asistencia Asistencia Técnica Técnica de de EE EE en en Sistemas Sistemas Motrices Motrices Pág. Pág. 88

3.

3. TIPOLOGÍA DE LOS SISTEMAS DE BOMBEOTIPOLOGÍA DE LOS SISTEMAS DE BOMBEO

Los sistemas de bombeo son de uso muy frecuente en el sector industrial como parte Los sistemas de bombeo son de uso muy frecuente en el sector industrial como parte de los

de los procesos productivos. Gracias procesos productivos. Gracias a éstos a éstos se pueden se pueden transportar fluidos a transportar fluidos a distintasdistintas distancias y a diferentes niveles de altitud.

distancias y a diferentes niveles de altitud. 3.1

3.1 Tipos de bombas:Tipos de bombas:

Según su principio básico de funcionamiento las bombas se pueden clasificar en: Según su principio básico de funcionamiento las bombas se pueden clasificar en:

Radial Radial Centrífugas Centrífugas Axial Axial de engranajes externos de engranajes externos B

Boommbbaass ddeeeennggrraannaajjeessiinntteerrnnooss

R

Roottaattoorriiaass dde e ttoorrnniilllloo

de aspas de aspas lobulares lobulares Desplazamiento Positivo Desplazamiento Positivo de acción directa de acción directa Reciprocante

Reciprocante de de potenciapotencia

de diafragma de diafragma

Figura 2 Tipos de bombas

Figura 2 Tipos de bombas

Fuente:

Fuente: Energy Management Series 13 Energy Management Series 13 For industry commerce and inFor industry commerce and institutions Fansstitutions Fans and Pumps.

and Pumps.

3.1.1

3.1.1 Centrifugas (Dinámicas)Centrifugas (Dinámicas)

Se las conoce también como bombas cinéticas. Fundamentalmente, consisten en un Se las conoce también como bombas cinéticas. Fundamentalmente, consisten en un rodete que gira acoplado a

rodete que gira acoplado a un motor. Éstas se dividen en:un motor. Éstas se dividen en: a.

a. Bombas de flujo radialBombas de flujo radial

Las bombas de flujo radial tienen una envolvente helicoidal, que se denomina Las bombas de flujo radial tienen una envolvente helicoidal, que se denomina voluta, que guía el flujo desde el impulsor hasta el tubo de descarga. Parte de voluta, que guía el flujo desde el impulsor hasta el tubo de descarga. Parte de la energía cinética se convierte en presión, forzando el líquido salir en un plano la energía cinética se convierte en presión, forzando el líquido salir en un plano perpendicular a su eje.

perpendicular a su eje.

Figura 3 Bomba centrífuga

Figura 3 Bomba centrífuga

Fuente: Ingeniería Energética – Pedro Diez Fuente: Ingeniería Energética – Pedro Diez b.

b. Bombas de flujo axialBombas de flujo axial

Una bomba de flujo axial imparte energía al líquido por acción del Una bomba de flujo axial imparte energía al líquido por acción del levantamiento de l

levantamiento de las aspas en forma as aspas en forma de hélice lo qde hélice lo que resulta en ue resulta en un flujo enun flujo en dirección del eje

dirección del eje

Figura 4 Bomba centrífuga

Figura 4 Bomba centrífuga

3.1.2

3.1.2 Desplazamiento positivo:Desplazamiento positivo:

Las bombas de desplazamiento positivo son aquellas que guían al fluido que se Las bombas de desplazamiento positivo son aquellas que guían al fluido que se desplaza a lo largo de toda su trayectoria, el cual siempre está contenido entre el desplaza a lo largo de toda su trayectoria, el cual siempre está contenido entre el elemento impulsor (que puede ser un émbolo, un diente de engranaje, un aspa, un elemento impulsor (que puede ser un émbolo, un diente de engranaje, un aspa, un tornillo, etc.) y la carcasa o el cilindro. El movimiento del desplazamiento positivo tornillo, etc.) y la carcasa o el cilindro. El movimiento del desplazamiento positivo consiste en el movimiento de un fluido causado por la disminución del volumen de una consiste en el movimiento de un fluido causado por la disminución del volumen de una cámara.

cámara.

Guía

Guía de de Asistencia Asistencia Técnica Técnica de de EE EE en en Sistemas Sistemas Motrices Motrices Pág. Pág. 1010

a.

a. Bombas reciprocantesBombas reciprocantes

Las bombas reciprocantes son unidades de desplazamiento positivo descargan Las bombas reciprocantes son unidades de desplazamiento positivo descargan una cantidad definida de líquido durante el movimiento del pistón o émbolo a una cantidad definida de líquido durante el movimiento del pistón o émbolo a través de la distancia de carrera. Sin embargo, no todo el líquido llega través de la distancia de carrera. Sin embargo, no todo el líquido llega necesariamente al tubo de descarga debido a escapes o arreglo de pasos de necesariamente al tubo de descarga debido a escapes o arreglo de pasos de alivio que puedan evitarlo.

alivio que puedan evitarlo.

Existen varios tipos de bombas reciprocantes, aquí mencionaremos las más Existen varios tipos de bombas reciprocantes, aquí mencionaremos las más usadas en la industria.

usadas en la industria.

Figura 5 Bomba reciprocante

Figura 5 Bomba reciprocante

b.

b. Bombas rotatoriasBombas rotatorias

Llamadas también roto estáticas, debido a que son máquinas de Llamadas también roto estáticas, debido a que son máquinas de desplazamiento positivo, provistas de movimiento rotatorio. Estas bombas desplazamiento positivo, provistas de movimiento rotatorio. Estas bombas tienen muchas aplicaciones según el elemento impulsor. El fluido sale de la tienen muchas aplicaciones según el elemento impulsor. El fluido sale de la bomba en forma constante, puede manejar líquidos que contengan aire o bomba en forma constante, puede manejar líquidos que contengan aire o vapor. Su principal aplicación es la de manejar líquidos altamente viscosos, lo vapor. Su principal aplicación es la de manejar líquidos altamente viscosos, lo que ninguna otra bomba puede realizar y hasta puede carecer de válvula de que ninguna otra bomba puede realizar y hasta puede carecer de válvula de admisión de carga.

admisión de carga.

Figura 6

Figura 6 Bomba de lóbulos dobles (A: Bomba de lóbulos dobles (A: Pistón rotatorio 1; B: Pistón rotatorio 1; B: Cuerpo de laCuerpo de la

bomba; C: pistón rotatorio 2)

bomba; C: pistón rotatorio 2)

Figura 7 Bomba de engranajes Cancel Download And Print

Guía de Asistencia Técnica de EE en Sistemas Motrices Pág. 12

3.2 Componentes del sistema de bombas

Los elementos que conforman un sistema de bombeo son los siguientes: a. Bomba

b. Impulsores, motores eléctricos, diesel o sistemas de aire.

c. Válvulas, estas forman parte del sistema, y van dispuestas en diversos puntos, su función principal es la de regular el flujo que es bombeado.

d. Tuberías, las tuberías forman gran parte del sistema, ya que por medio de ellas se conduce el fluido desde un lugar a otro.

e. Otras instalaciones, controles e instrumentación.

A: Bomba

B: Indicadores de nivel

C: Tanque, líquido de alimentación D: Motor de Bomba

E: Controlador de motor F: Válvula

G: Válvula de derivación

H: Intercambiadores de calor (Equipo de consumo) I: Instrumentación

J: Tubería de descarga K: Tubería succión

Figura 8 Componentes de un sistema de bombeo

Fuente: Improving Pumping System Performance: A Sourcebook for Industry Cancel Download And Print

4. IDENTIFICACIÓN DE OPORTUNIDADES DE EFICIENCIA ENERGÉTICA

En esta sección se presenta un procedimiento general a tomarse en cuenta al momento de realizar un diagnostico ó autodiagnóstico del sistema motriz con el objetivo de identificar oportunidades de medidas de eficiencia energética que se concreten en ahorros efectivos en la correcta operación de los sistemas.

4.1 Registro del sistema

• Recoger información de las características del sistema motriz y comparar con los datos de la placa del fabricante, para comprobar si el sistema sufrió alguna modificación.

4.2 Motor eléctrico

• Verificar la operación del motor eléctrico en condiciones de operación respecto a sus condiciones nominales. Especialmente parámetros eléctricos: Amperaje, voltaje de alimentación, factor de potencia.

• Inspeccionar el tipo de arranque.

• Identificación de fugas de corriente mediante el uso de un medidor de voltaje, detectando diferencias de potencial entre el neutro y tierra.

• Verificación del estado de los acoplamientos entre el motor eléctrico y la carga impulsada.

• Verificar si los sistemas funcionan en determinado momentos en vacío.

• Verificar que el motor eléctrico se encuentre ventilado y lejos de fuentes de calor.

4.3 Sistema

• Contrastar el nivel de producción del sistema durante la operación con respecto a su capacidad nominal.

• Inspeccionar que el sistema se encuentre correctamente instalado de acuerdo a las recomendaciones del fabricante.

• Inspeccionar la limpieza del sistema en zonas que pueden perjudicar su correcto funcionamiento, zona con lubricación, dispositivos de control, etc.

• Verificar si el sistema tiene los sistemas de control necesarios para el funcionamiento del sistema, es decir, si detecta las partidas y detenciones, variaciones de carga o velocidad.

• Inspección del tablero del control, dispositivos y automatismos con los que cuenta el sistema.

• Inspeccionar los componentes del sistema que estén sometidos a continuo desgaste.

• Verificar la existencia de fugas (fluidos a través de los sellos mecánicos, válvulas, filtraciones en tuberías).

• Verificar el estado de las redes de distribución (posibilidades de incrustación en tuberías, corrosión, etc.).

• Verificar el nivel de lubricante en aquellos sistemas que lo emplean.

• Verificar el estado del aislamiento térmico de los equipos que lo requieran (intercambiadores de calor, ductos y tuberías).

• Verificar el estado de los filtros de alimentación del fluido y de los sistemas de lubricación.

Guía de Asistencia Técnica de EE en Sistemas Motrices Pág. 14

• Verificar el sub o sobre dimensionamiento del sistema.

• Revisar si el sistema ha sufrido alguna modificación en el tiempo y si esta ha sido considerada en el redimensionamiento del motor.Cancel Download And Print

5. MEDIDAS DE EFICIENCIA ENERGÉTICA 5.1 De operación

• Cuidar el equilibrio de los sistemas

• Disponer un equilibrio estático en el sistema que pueda permitir lograr que siempre satisfaga las demandas de proceso, pero sin generar desperdicios de energía, esto se logra manteniendo las condiciones de diseño, particularmente en las aperturas o cierres de válvulas.

• En el caso que se cuente con bombas accionadas por medio de correas (correas en V), éstas deben estar perfectamente alineadas, ya que cualquier desviación del alineamiento, aunque sea pequeña, dará origen a desgastes excesivos y resbalamiento de la banda lo que acortará considerablemente la vida útil de ésta, también a un esfuerzo mayor por parte del motor con el aumento en el consumo de energía.

• Para que las bombas trabajen adecuadamente y desarrollen la presión de trabajo, es necesario que trabajen con el voltaje nominal para el cual fueron diseñadas.

• Para poder evitar el fenómeno conocido como golpe de ariete3 se recomienda instalar ventosas de aireación, debido a que éstas evitarán que se formen vacíos en las tuberías y extraerán las bolsas de aire que se generen, para evitar que una columna de aire empujada por el fluido acabe reventando en la superficie interior de la bomba o del sistema de tuberías generando desgaste en las mismas, lo que incide en un aumento del consumo de energía, debido al mayor trabajo que deberá realizar la bomba, producto de vencer el mayor roce o al menor caudal desplazado producto del desgaste en el interior de la bomba. • Se recomienda que la bomba trabaje en el punto de operación, es por esto que

una vez realizado el diseño de la instalación, no es recomendable hacer ampliaciones del sistema, debido a que incrementaran las pérdidas y harán que el sistema sea ineficiente.

• Se recomienda instalar un variador de velocidad en la bomba, para poder controlar de forma más precisa el caudal a desplazar producto de las variaciones de requerimiento propias del sistema. Así evitaremos que la bomba este trabajando por sobre la potencia requerida.

• Para un buen arranque del sistema verificar si la bomba ha sido adecuadamente cebada, esto impedirá el funcionamiento de la bomba en vacío.

• Para evitar el consumo excesivo de potencia, verificar: que el sentido de giro del rodete sea el adecuado, que el eje de transmisión no esté descentrado y que las empaquetaduras de la bomba no estén demasiado ajustadas.

• Tener adecuadamente lubricadas las chumaceras, cojinetes y otras partes móviles, ya que estas generan demasiada fricción entre sí, aumentando las pérdidas y trayendo consigo una mayor exigencia del sistema.

• Mantener en buen estado los sistemas de tuberías las cuales muchas veces se obstruyen debido a sólidos o a formaciones de caliche en las paredes de las tuberías. Esto ocasiona el incremento en las pérdidas y se reduce la eficiencia del sistema.

3_{Se denomina golpe de ariete al choque violento que se produce sobre las paredes de un conducto forzado,}

cuando el movimiento líquido es modificado bruscamente. En otras palabras, el golpe de ariete se puede

Guía de Asistencia Técnica de EE en Sistemas Motrices Pág. 16

5.2 De diseño

• Revisar el caudal realmente necesario requerido por el sistema, esto puede permitir mediante un adecuado sistema de control o redimensionado del motor o bomba, disminuir los consumos energéticos.

Por ejemplo es poco probable que todos los equipos de refrigeración por agua requieran de refrigeración en todo momento. Es posible que haya excepciones, muchos elementos forman parte de los procesos intermitentes que pueden ser detenidos, ya sea para razones previstas o imprevistas. Incluso bajo condiciones de producción, algunas partes de la instalación podrían ser omitidas de la vía de producción, si no necesitan refrigeración.

• Evitar recirculación innecesaria.

Hay casos en que varias bombas pueden estar involucradas en la recirculación del agua y las cantidades excesivas de distribución por las bombas requieren energía adicional para recircular el exceso.

• Control por estrangulamiento.

La regulación es efectiva en reducir el flujo de las bombas, pero no es un método eficaz, por el derroche de energía en el acelerador, aunque se usa ampliamente como una técnica de control del caudal. Lo ideal sería que las bombas operen en un rango de flujos en torno al punto de la máxima eficiencia. Como consecuencia de un exceso de diseño, las bombas, en la mayoría de las industrias se encuentran ejerciendo su actividad con un caudal menor al de la máxima eficiencia, es decir, estrangulado hasta cierto punto. Por tanto, no pueden, alcanzar su máxima eficiencia y aunque están usando menos energía de lo que corresponde a la tasa máxima, de igual manera la energía se está perdiendo en todos estos sistemas.

• Se recomienda hacer un buen diseño para evitar el fenómeno de cavitación4. Éste provocaría un deterioro rápido del rotor, y una baja eficiencia del mismo.

En caso que el sistema ya esté construido y no cuente con un suficiente (NPSH)5_{, o cuente con un NPSH muy elevado, para una selección óptima} de la bomba, hay varias formas de solucionar estos problemas, aquí  planteamos algunas recomendaciones:

Para aumentar el NPSHdisponible:

• Subir el nivel del líquido. • Bajar la bomba.

• Reducir las pérdidas por fricción de los tubos de succión. • Sub-enfriar el líquido.

4 _{La cavitación o aspiración en vacío es una condición anormal que puede producir pérdidas de producción,} daños al equipo y lo peor de todo, lesiones al personal. Implica un proceso dinámico de formación de burbujas dentro del líquido, su crecimiento y subsecuente colapso a medida que el líquido fluye a través de la bomba.

5 _{Net Positive Suction Head, también conocido como ANPA (Altura Neta Positiva en la Aspiración) y CNPA} (Carga Neta Positiva en Aspiración)

Para reducir el NPSHrequerido

En casos especiales cabe la posibilidad de acoplar un rodete auxiliar previo (inductor) delante del rodete propio de la bomba centrífuga, con el cual se reduce el NPSH requerido en aproximadamente un 50 o 60% de su valor inicial. Por ejemplo cuando necesidades de última hora obligan a ampliaciones en la instalación que reducen el valor disponible inicialmente con resultado de un NPSH insuficiente, o que razones de tipo económico no permiten ampliar el NPSH de la instalación. (Elevar el nivel del depósito de alimentación) o utilizar una bomba de tamaño superior a velocidad inferior (con su correspondiente menor NPSH requerido).

Figura 9 Bomba centrífuga con inductor (rodete auxiliar previo) Hay que indicar no obstante, que la disminución del NPSH requerido, mediante el citado inductor, no es válida para toda la gama de caudales de la bomba sino que afecta únicamente a una determinada parte de un campo de caudales, tal como se representa en la Figura 10.

Guía de Asistencia Técnica de EE en Sistemas Motrices Pág. 18

A=NPSHrequerido, sin inductor B=NPSHrequerido, con inductor 1 C=NPSHrequerido, con inductor 2

1 y 2 = Ejecución con diferentes inductores

Figura 10 Variación del NPSH requerido sin y con inductor en función al caudal

Fuente: Dimensionado de Bombas Centrífugas (Del Manual de Bombas y Válvulas KSB)

• Colocar un sistema de bombas idéntica en paralelo no siempre puede resultar beneficioso. Esto no siempre aumenta la cantidad de flujo. Cada bomba genera menos flujo y opera a menos eficiencia, con una pequeña ganancia en carga y con un incremento en potencia

Figura 11 Bombas en paralelo

Fuente: Selección Fina de Bombas, Cátedra de Construcciones Hidráulicas, Ing. Luis E. Pérez Farrás.

De la Figura 11 puede deducirse que para un determinado valor de H0, el caudal suma de los tres rotores en paralelo será:

01

3 xQ Q_o =

Es decir que cada rotor aportaría, en teoría, un caudal Q01=Q0 /3. Lo que sería válido siempre que H0 fuera igual a HT. Pero como la curva característica de la instalación debe ser tomada en cuenta, en realidad el punto de funcionamiento será el P’ en lugar de P.

Este hecho implica un caudal Q0’ menor que Q0, que será elevado a una altura manométrica H0’ mayor que H0.

Figura 12 Instalación de 3 bombas en paralelo

Fuente: Selección Fina de Bombas, Cátedra de Construcciones Hidráulicas, Ing. Luis E. Pérez Farrás.

Guía de Asistencia Técnica de EE en Sistemas Motrices Pág. 20

• Seleccionar las tuberías de tal manera que garanticemos que la velocidad del flujo que las recorra esté alrededor de 2 m/s. Una Mayor velocidad de flujo incrementan la resistencia del sistema, lo que se ve reflejado en una mayor potencia.

Un mayor diámetro implica una mayor inversión inicial en la adquisición de tuberías, su transporte al lugar de emplazamiento y sus costos de instalación, a la vez que implica menores costos de operación, puesto que se consume menos energía eléctrica al bombear el mismo caudal a una altura manométrica menor. El cálculo hidráulico brinda, en teoría, infinitas soluciones al problema y, en la práctica, numerosas opciones dadas por un gran número de posibilidades de diámetros y bombas ofertadas por la industria. La solución al problema se obtiene al introducir variables económicas al análisis, con lo que se obtiene un diseño económico y que a su vez cumple con los requerimientos técnicos del sistema.

La inversión inicial implica un capital por metro de tubería de instalación, el que, con un interés anual “i”, en el plazo de amortización de la obra que estimamos en “n” años, se transforma en una compleja función del diámetro, creciente en forma aproximada con el cuadrado del mismo y que denominaremos “Costo Unitario Anualizado de tubería, Cuac”:

) D ( f  Cuac = 2

En cambio, los costos de energía, por metro de tubería instalado y por año, dan una función variable aproximadamente con la inversa del diámetro a la quinta potencia; lo denominamos “Costo Unitario Anual de Energía”:

)  /  1 (  D5  f  Cuae =

La función suma de ambos será:

Cuae Cuac

Cuc = +

El valor mínimo de ésta ecuación nos da el diámetro más económico, el que, además de satisfacer las exigencias hidráulicas, cumple con el objetivo de dar lugar a la solución más económica, para el plazo de amortización de la obra. En la Figura 13, se brindan gráficamente las ecuaciones desarrolladas y se observa el valor del diámetro mínimo o más económico. Este gráfico es tratado en la bibliografía especializada con la denominación de “Diagrama de CAMERER”.

Figura 13 Diagrama de CAMERER 

Fuente: Selección Fina de Bombas, Cátedra de Construcciones Hidráulicas, Ing. Luis E. Pérez Farrás.

5.3 De mantención

• La eficiencia de la bomba se ve afectada por la cantidad de fugas en el impulsor.

• Recirculación debe mantenerse a un mínimo para que la bomba funcione de manera eficiente.

• Apretar en exceso puede provocar un desgaste excesivo en el sello del eje, provocando daños mecánicos y pérdida de energía.

• Recubrimientos especiales se pueden aplicar para reparar las picaduras y así  reducir las pérdidas por fricción.

• La suciedad ataca el aislamiento de un motor a través de la abrasión y / o absorción. Se pueden contaminar los lubricantes y dañar los rodamientos. La acumulación de suciedad en la caja del motor, ventilador y aberturas de entrada aumenta la temperatura del motor, lo que reduce la eficiencia y acorta la vida del motor.

• Motores más grandes requieren tener un periódico engrase. Un problema es el exceso de lubricación, lo que provoca un aumento de la fricción, lo que lleva al fracaso. Limpie los accesorios antes de inyectar la grasa con el fin de evitar la contaminación.

• Un notable aumento o cambio en la vibración del motor es una indicación de un problema de rodamiento, desequilibrio de la carga, un eje doblado, un desalineación de acoplamiento o irregularidades eléctricas. La tensión de la transmisión y la alineación incorrecta puede verse afectada aumentando con ello la energía que consume el motor, además puede disminuir la vida del motor.

• Al momento de realizar mantenciones mayores y donde se deba retirar el motor o bomba, debe de tenerse en consideración el correcto tamaño de los tomillos o anclas de montaje y sujeción, esto puede llevar a problemas de alineación; se puede obtener como resultado problemas de vibraciones con posibles fallas en las rodamientos o hasta en el eje del rotor. El montaje y la cimentación resultan

Guía de Asistencia Técnica de EE en Sistemas Motrices Pág. 22

de fundamental importancia para evitar problemas mecánicos y eventualmente eléctricos, teniendo como resultante final un mayor consumo de energía.

• Una modificación en la carga del motor o en el acoplamiento de accionamiento, se manifestará como una sobrecarga en el motor. Cuando se presenta una sobrecarga, el motor demanda más corriente, lo cual incrementa la temperatura del mismo, reduciendo la vida del aislamiento y aumentando el consumo de energía.

• Aplicar una de las técnicas del mantenimiento predictivo para ver con qué ocurrencia se desgasta el rodete, ya que muchas veces el rodete puede estar deteriorado por el fenómeno de cavitación.

• Aplicar una de las técnicas del mantenimiento predictivo para determinar la frecuencia de limpieza del sistema de tuberías, logrando así evitar las perdidas por fricción en las tuberías y por ende el colapso del sistema.

• Ver que las tapaderas estén bien cerradas de manera que el polvo no pase a las chumaceras.

• Fijarse bien que la temperatura de las chumaceras no exceda de 60°C en motores de tipo abierto y en 80°C. en motores totalmente cerrados.

• Ver que la tensión de las bandas sea la adecuada para evitar deslizamientos. Ver que los engranes giren libremente; comprobar que las cadenas no muestren puntos de desgaste o partes brillantes que denoten rodamientos.

• La ventilación a través del motor no debe estar obstruida, es necesario que en las tomas de aire del motor no exista acumulación de materias extrañas, así  como también a su alrededor.

5.4 Medidas de EE por nivel de inversión

Las medidas de eficiencia energética son un conjunto de recomendaciones con las cuales se busca mejorar el rendimiento de los sistemas de bombeo.

Para su mejor comprensión, éstas se han clasificado en: medidas de EE de baja, media y alta inversión.

5.4.1 Medidas de Baja Inversión

Comúnmente llamadas de "housekeeping", estas medidas están relacionadas con los modos operativos, seguimiento y control, y pueden representar aproximadamente hasta el 15% del costo del sistema.

5.4.2 Medidas de Mediana Inversión

Comúnmente llamadas de "retrofitting", estas medidas generalmente tienen un tiempo de retorno cercano a un año o un costo aproximado entre el 16 y 85% del costo del sistema.

5.4.3 Medidas de Alta Inversión

Estas medidas se refieren a cambios de tecnologías o procesos con largos tiempo de retorno y representan un costo aproximado mayor al 86% del costo del sistema.

Tabla 1 Medidas de EE por nivel de Inversión Nivel de

Inversión Medida

Disminuir la potencia de los motores o reducir los requisitos de energía.

Evitar utilizar las bombas a carga parcial, en condiciones distintas a las nominales. Si la contrapresión de la bomba es menor de la especificada o calculada al diseñar la instalación, se recomienda, si la sobrecarga es constante, regular el impulsor en lo posible (consultar con el fabricante).

Controlar las horas de operación.

Evitar el sobredimensionamiento de las bombas en ampliaciones o proyectos energéticos nuevos

Evaluar la reasignación de una bomba a otra ubicación en la planta en donde pueda operar en condiciones cercanas a las nominales. Efectuar mantenimiento oportuno según especificaciones del fabricante.

Media

Uso de variadores de frecuencia para el consumo eléctrico necesario.

Utilizar una bomba de menor capacidad para aplicaciones específicas.

Guía de Asistencia Técnica de EE en Sistemas Motrices Pág. 24

Instalar un impulsor más pequeño o acondicionar el existente si el sistema estuviese sub-cargado

Minimizar el número de cambios de dirección en la tubería.

Instalar motores de bajo consumo de energía, o repotenciar los equipos existentes.

Alta

Evaluar la implementación de controles automáticos de presión y caudal. La práctica de configurar la bomba para mantener el requisito de presión más alta es una oportunidad malgastada de maximizar los ahorros de energía en un sistema de presión constante. Un controlador de presión avanzado reconoce un aumento de la demanda e incrementa automáticamente el punto de ajuste de la presión para corresponderse con la curva de resistencia que maximiza la economía de caudal.

Evaluar el redimensionamiento de tuberías y accesorios para optimizar la operación de la bomba.

5.5 Ahorros estimados por medidas de EE

Tabla 2 Ahorros estimados por medidas de EE

Revisión Posibles mejoras Ahorro de Energía_típico 1 El sistema no está trabajandosegún los requerimientos del

sistema. Control

Depende de cada Sistema 2 Se están presentando fugas Uso de sellos mecánicos Depende de cada_Sistema 3 Cambios en la operación ,_{demandan nuevos caudales} Reducción de caudal 7-15% 4 Cambios en la operación ,_{demandan nuevos caudales} Uso de variadores de_velocidad 15-25% 5 El sistema ha perdido capacidad Instalar una bomba más_eficiente 3-5% 6 Motor sobredimensionado Cambio del tamaño del_motor 3-5% 7 Mantenimiento Realizar un programa demantención riguroso y

efectivo Hasta 30%

8 Tuberías en mal estado Disminución _rugosidad de la 6-10% 9 Sobrecalentamiento del motor_{por paradas frecuentes} Uso de variadores de_velocidad 15-25% 10 Desgaste en volutas y rotores Revestir de resina 3-5% 11 Fugas en el sistema Instalar sellos mecánicos Hasta 20%

Guía de Asistencia Técnica de EE en Sistemas Motrices Pág. 26

6. CASOS PRÁCTICOS

6.1 Consumo energético y costo anual de operación de una bomba centrífuga.

Una bomba centrífuga industrial entrega 150 m3/_{h de agua con altura de 54 m. El} rendimiento de la bomba en el punto de funcionamiento es del 80% y es accionada por un motor eléctrico asíncrono con un rendimiento del 90%. La bomba funciona a este régimen durante 12 h/día los 365 días del año.

Se calculará el consumo energético y los costos anuales de funcionamiento suponiendo un costo unitario de la energía eléctrica de 64$/kWh.

Las expresiones que relacionan los parámetros básicos de operación de una bomba centrifuga son:

Caudal Q (m3/h) 150

Altura h (m) 54

Costo de electricidad ( c ) $/kWh 64

Rendimiento de la bomba ηb 0,8

Rendimiento del motor ηm 0,9

Nº de horas anuales de funcionamiento t(h/año) 4.380

367  x n  xQxH  P b  ρ  = Pabs=Pb /ηm x 100

La energía consumida y los costos anuales de funcionamiento vendrán dados por: E = Pabs x t -> C = E x c

Siendo:

Pb = Potencia absorbida por la bomba [kW].

Pabs = Potencia absorbida de la red eléctrica [kW]. Q = Caudal [m3 _/h].

ρ =Densidad específico del fluido. Agua: 1000 [kg/m ]. ηb = Rendimiento de la bomba [%].

ηm = Rendimiento del motor eléctrico [%]. E = Consumo energético [kWh/año].

t = Nº de horas anuales de funcionamiento [h/año]. C = Costo anual de funcionamiento [$/año].

c = Costo unitario de la energía eléctrica [$/kWh]. 367=factor de conversión

Aplicando las expresiones se obtiene: Q

(m3/h) (m)h $/kWh ηb _(kW)Pb ηm Pabs (kW) t(h/año) E(kWh/año) C($/año)

150 54 64 0.8 36.79 0.9 40.88 4,380 179,044.67 11,458,859

El cálculo de la potencia de pérdidas en cada etapa de la transformación (bomba motor y transmisión red eléctrica) resulta trivial. A continuación, se representa el diagrama de Sankey para la bomba estudiada:

Figura 14 Diagrama de Sankey para Bomba Estudiada

Fuente: “Guía de Ahorro y Eficiencia Energética en el sector de la cerámica artística, de uso y técnica de la Comunidad Valenciana” 

Guía de Asistencia Técnica de EE en Sistemas Motrices Pág. 28

Nótese que en el diagrama están expresados los porcentajes de pérdidas con respecto de la potencia absorbida de la red eléctrica por el motor, por lo que los valores resultantes están en perfecta armonía con los rendimientos de las distintas transformaciones. Como se puede observar, en este caso el rendimiento global del proceso de transformación de energía eléctrica en energía de presión y cinética del fluido es de un 71,66%.

6.2 Estimación del ahorro energético y económico de las medidas de EE. 6.2.1 Medida 1: Control

Durante la revisión anual del rendimiento de la operación de una planta de tratamiento de agua se notó que la bomba centrífuga estaba operando con 7m de altura sobre lo que se requiere para mantener el caudal. La medida adoptada fue reducir la velocidad de la bomba hasta la requerida por la altura de diseño.

Datos:

Los siguientes datos fueron obtenidos del registro diario del sistema:

Datos del Sistema

Caudal inicial fw1 340 m3 /h

Caudal corregido fw2 340 m3 /h

Altura de bomba inicial HdT1 35 m

Altura de bomba corregido HdT2 28 m

Los siguientes datos relativos a la potencia del motor fueron medidos:

Datos Motor

Voltaje nominal Vr 575 volts

Corriente nominal Ir 71 amps

Voltaje medido V 580 volts

Corriente medida I 48,3 amps

Fase eléctrica Y 1,73

3Ø 1,73

2Ø 2

1Ø 1

Potencia de salida al eje 55,95 kW

Factor de potencia nominal p.fr 0,88 decimal

Factor de potencia medido p.f 0,85 decimal

Fórmulas

Ratio de carga =

 IrxVrxpfr   IxVxpf 

Reemplazando valores se obtiene el Ratio de carga:

Ratio de carga = 0,66 88 , 0 575 71 85 , 0 580 3 , 48 =  x  x  x  x

Eficiencia del Motor

Figura 15 Factor de potencia y eficiencia eléctrica

Fuente: Energy Management Series 13 For industry commerce and institutions Fans and Pumps.

De la Figura 15, se obtiene el valor de la eficiencia del motor Efm=0.91 Potencia eléctrica de entrada al motor : ( )

1000 KW 

VxIxYxpf  Wmi =

Donde Y es una “función de la fase”: 1,73 para 3 fases; 2 para 2 fases; 1 para 1 fase. Potencia ideal de la bomba inicial : ( )

367 1

1  fw xHd 1 _KW 

Wp = T 

Potencia ideal de la bomba corregida : _Wp2₌  fw2 xHd T 2 (_KW ) Cancel Download And Print

Guía de Asistencia Técnica de EE en Sistemas Motrices Pág. 30

El efecto de los cambios en el flujo de líquido y altura de la bomba total en la potencia del motor de la bomba se puede calcular multiplicando la potencia de entrada inicial por la relación de las potencias ideales de las bombas. La potencia del motor corregido a continuación, puede estimarse mediante la siguiente ecuación

Potencia de entrada del motor corregida : ( )

1 2 1 2 KW  Wp Wp  x Wmi Wmi _          = ; Wmi =Wmi1

Ahorro de energía anual: (Wmi1−Wmi2) xh(KWh)

Ahorro económico anual : (Wmi1−Wmi2) xhxCe($ / año)

Tabla resumen de los datos conocidos y los resultados encontrados, según fórmulas anteriores:

Medida : Control Datos Motor

Voltaje nominal Vr 575 volts

Corriente nominal Ir 71 amps

Voltaje medido V 580 volts

Corriente medida I 48,3 amps

Fase eléctrica Y 1,73

3Ø 1,73

2Ø 2

1Ø 1

Potencia de salida al eje nominal 55.95 kW

Factor de potencia nominal pfr 0,88

Factor de potencia medido pf 0,85

ratio de carga 0,66

Eficiencia de motor Ef m 0,91 Figura 15

Potencia eléctrica de entrada Wmi 41,19 kW

Potencia de entrega al eje Wmo 37,49 kW

Datos de Bomba

Caudal inicial f w1 340 m3/h

Caudal corregido f w2 340 m3/h

Altura de bomba inicial HdT1 35 m

Altura de bomba corregida HdT2 28 m

Tiempo total de operación h 3.600 h/año

Costo de energía eléctrica Ce 64 $/kWh

Potencia eléctrica de entrada Wmi1 41,19 kW

Potencia de bomba inicial W 1 32,43 kW

Potencia de bomba corregido Wp2 25,94 kW Potencia eléctrica de entrada

corregido Wmi2 32,96 kW

Ahorro anual de energía 29.660,10 kWh Ahorro económico anual 1.898.247 $/año

Esta medida no requiere de ninguna inversión por lo que la recuperación de capital es inmediata.

6.2.2 Medida 2: Uso de sellos mecánicos

Una bomba de agua tiene 51 mm de diámetro de eje y opera continuamente 8760 horas por año a 1750 rpm con una altura de descarga de 30m. Durante el mantenimiento anual se consideró el reemplazo del paquete de sellos por un sello mecánico que reduce las fugas de agua.

Datos

Datos

Tiempo de operación h 8.760 h/año

Costo de energía eléctrica Ce 64 $/kWh

Diámetro del eje D 51 mm

RPM n 1.750 rpm

Altura de descarga Hdd 30 m

Fórmulas

Presión de descarga :P= Hd _d  x9.81(KPa) ) ( 294 81 . 9 30 x KPa P= =

Potencia mecánica consumida por sellos/1000rpm:Ws1

Figura 16 Potencia mecánica consumida por eje

Fuente: Energy Management Series 13 For industry commerce and institutions Fans Cancel Download And Print

Guía de Asistencia Técnica de EE en Sistemas Motrices Pág. 32

De la Figura 16, con la presión de descarga encontrada y el diámetro del eje, se obtiene el valor de la potencia mecánica consumida por sellos Ws1=0.065kW/1000 rpm

Potencia mecánica consumida por el eje:W _S2 n  xW _S1

(

)

1000

=

Potencia consumida por el paquete de sellos: W _S3 = W _S2 x6

(

)

(

)

(

)

Ahorro económico anual:

(

)

($

 /

)

Tabla resumen de los datos conocidos y los resultados encontrados, según fórmulas anteriores:

Medida : Sellos mecánicos

Tiempo de operación 8.760 h/año

Costo de energía eléctrica 64 $/kWh

Diámetro del eje 51 mm

RPM 1.750 rpm

Altura de descarga 30 m

Presión de descarga 294 kPa

Potencia mecánica consumida por

sellos/1000 rpm (Ws1) 0,065

kW/1000 (Figura

16) Potencia mecánica consumida por el

eje (Ws2) 0,11 kW

Potencia consumida por el paquete de

sellos (Ws3) 0,68 kW

Ahorro de energía anual 4.982,25 kWh

Ahorro ecónomico anual 318.864 $/año

Si, los costos estimados por la instalación de los sellos mecánicos es de $583.0006_. El tiempo de retorno de la inversión: Inversión inicial /Ahorro anual

El tiempo de retorno de la inversión: $583.000/318.864=1,8 años

6

“Energy Management Series 13 For industry commerce and institutions Fans and Pumps”

Business and Government Energy Management Division Departament of Energy, Mines and Resources

6.2.3 Medida 3: Reducción de caudal

Una planta industrial utiliza una bomba centrifuga de agua helada. Cambios en la operación originaron que ciertos procesos con un caudal de 12 m3/h fueran eliminados. Por lo que se requiere redimensionar el sistema para el nuevo caudal efectivo de bombeo.

El caudal inicial de diseño es 125 m3/h a 70 m de altura de bomba. El tiempo de operación es de 2100 horas por año. La lectura de la presión tanto en la descarga como en la succión confirmaron que se requiere rediseñar el sistema. Se realizó también la comparación entre los datos de placa de motor y los que se obtienen en las lecturas de los medidores.

Datos:

Los siguientes datos relativos a la potencia del motor fueron medidos:

Datos Motor

Voltaje nominal Vr 575 volts

Corriente nominal Ir 47,1 amps

Voltaje medido V 578 volts

Corriente medida I 40,02 amps

Fase electrica Y 1,73

3Ø 1,73

2Ø 2

1Ø 1

Potencia de salida al eje 37,3 kW

Factor de potencia nominal p.fr 0,88 decimal

Factor de potencia medido p.f 0,87 decimal

Los siguientes datos fueron obtenidos del registro diario del sistema

Datos de la bomba

Caudal inicial fw1 125 m3/h

Caudal corregido fw2 113 m3/h

Altura de bomba inicial HdT1 70 m

Diámetro del impulsor D1 197 mm

Tiempo total de operación h 2100 h/año

Costo de energía eléctrica Ce 64 $/kWh

Fórmulas

Ratio de carga =

 IrxVrxpfr   IxVxpf 

Guía de Asistencia Técnica de EE en Sistemas Motrices Pág. 34 Ratio de carga = 0,84 88 , 0 575 1 , 47 87 , 0 578 02 , 40 =  x  x  x  x

Eficiencia del Motor

Figura 17 Factor de potencia y eficiencia eléctrica

Fuente: Energy Management Series 13 For industry commerce and institutions Fans and Pumps.

De la Figura 17, se obtiene el valor de la eficiencia del motor Efm=0.92 Potencia eléctrica de entrada al motor: ( )

1000 KW 

VxIxYxpf  Wmi =

Potencia de salida al eje del motor: Wmo =WmixEf _m(KW )

Wmi

Wmi1= ;Wmo1=Wmo Eficiencia de transmisión: Ef d

Figura 18 Pérdidas de Conducción

Fuente: Energy Management Series 13 For industry commerce and institutions Fans and Pumps.

De la Figura 18 por transmisión directa Ef d=1

Altura de bomba corregida: ( )

1 2 2 1 2 m Fw Fw  x  Hd   Hd _{T  t}            =

Potencia de entrada al eje inicial de la bomba: Wpi1=Wmo1 xEf _d (KW )

Diámetro corregido: ( ) 5 . 0 1 2 1 2 mm  Hd   Hd   x  D  D T  T            =

Potencia de entrada al eje de la bomba corregida: ( )

3 1 2 1 2 KW   D  D  x Wp Wp_{i i }          =

Potencia de salida del motor corregida: 2 1 ( )

1 2 _KW  Wp Wp  x Wmi Wmi i i           =

Ahorro de energía anual:

Guía de Asistencia Técnica de EE en Sistemas Motrices Pág. 36

Ahorro económico anual: (Wmi1−Wmi2) xhxCe($ / año)

Tabla resumen de los datos conocidos y los resultados encontrados, según fórmulas anteriores:

Medida : Disminuir el caudal Datos Motor

Voltaje nominal Vr 575 volts

Corriente nominal Ir 47,1 amps

Voltaje medido V 578 volts

Corriente medida I 40,02 amps

Fase eléctrica Y 1,73

3Ø 1,73

2Ø 2

1Ø 1

Potencia de salida al eje 37,3 kW

Factor de potencia nominal p.f r 0,88

Factor de potencia medido p.f 0,87

ratio de carga 0,84

Eficiencia de motor Ef m 0,92 Figura 16

Potencia eléctrica de entrada Wmi 34,82 kW

Potencia de entrega al eje Wmo 32,03 kW

Datos Bomba

Caudal inicial Fw1 125 m3/h

Caudal corregido Fw2 113 m3/h

Altura de bomba inicial HdT1 70 m

Diámetro del impulsor D1 197 mm

Tiempo total de operación h 2.100 h/año

Costo de energía eléctrica Ce 64 $/kWh

Potencia eléctrica de entrada Wmi1 34,82 kW

Potencia de entrega al eje Wmo1 32,03 kW

Eficiencia de transmisión Ef d 1,00 Figura 17

Altura de bomba corregida HdT2 57,21 m

Inicial potencia de entrada al eje de la bomba Wpi1 32,03 kW

Diámetro corregido del impulsor D2 178 mm

Potencia de entrada al eje de la bomba

corregida Wpi2 23,66 kW

Potencia de entrada al motor corregida Wmi2 25,72 kW

Ahorro anual de energía 19.099,58 kWh

Ahorro económico anual 1.222.373 $/año

El costo estimado del nuevo equipo es de $1.325.0007

El tiempo de retorno de la inversión: Inversión inicial /Ahorro anual

7

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Business and Government Energy Management Division Department of Energy, Mines and Resources

Tiempo de retorno= $ 1.325.000/1.222.373=1,1 años

6.2.4 Medida 4: Uso de variadores de velocidad

Un centro comercial tiene sistema de aire acondicionado que funciona 4.518 horas al año. Durante este período, en el sistema central de agua, los requerimientos del caudal son de 115m3 _{/h, a 38m de altura del sistema, hasta 35 m}3 _{/h, a 10 m de altura} total del sistema. La bomba es centrífuga y de velocidad constante. El efecto inicial de cerrar el caudal de agua caliente en el sistema de aire local es la causa de que la bomba principal esté con 42 m de altura de bomba; a esta altura le corresponde un caudal de 71.7 m3 _/h.

La medida propuesta es la instalación de un variador de velocidad. Datos:

Los siguientes datos relativos a la potencia del motor fueron medidos:

Datos Motor

Voltaje nominal Vr 575 volts

Corriente nominal Ir 29 amps

Voltaje medido V 580 volts

Corriente medida I 20,53 amps

Fase eléctrica Y 1,73

3Ø 1,73

2Ø 2

1Ø 1

Potencia de salida al eje nominal kW

Factor de potencia nominal p.fr 0,88 decimal

Factor de potencia medido p.f 0,79 decimal

Los siguientes datos fueron obtenidos del registro diario del sistema

Datos Bomba

Caudal inicial fw1 71,7 m3/h

Caudal corregido fw2 35 m3/h

Altura de bomba inicial HdT1 42 m

Altura de bomba corregido HdT2 10 m

Tiempo total de operación h 4518 h/año

Costo de energía eléctrica Ce 64 $/kWh

Guía de Asistencia Técnica de EE en Sistemas Motrices Pág. 38 Fórmulas Ratio de carga =  IrxVrxpfr   IxVxpf  Ratio de carga = 0,64 88 , 0 575 29 79 , 0 580 53 , 20 =  x  x  x  x

Eficiencia del Motor

Figura 19 Factor de potencia y eficiencia eléctrica

Fuente: Energy Management Series 13 For industry commerce and institutions Fans and Pumps.

De la Figura 19, se obtiene el valor de la eficiencia del motor Efm=0.91 Potencia eléctrica de entrada al motor: ( )

1000 KW 

VxIxYxpf  Wmi=

Potencia ideal de la bomba inicial: ( ) 367

1

1  fw xHd 1 _KW 

Wp ₌ T 

Potencia ideal de la bomba corregida: ( )

367 2

2  fw  xHd  2 _KW 

Wp ₌ T 

Potencia de entrada del motor corregida: ( )

1 2 1 2 KW  Wp Wp  x Wmi Wmi _          = ; Wmi =Wmi1 Cancel Download And Print

Ahorro de energía anual: (Wmi1−Wmi2) xh(KWh)

Ahorro económico anual: (Wmi1−Wmi2) xhxCe($ / año)

Tabla resumen de los datos conocidos y los resultados encontrados, según fórmulas anteriores:

Medida : Instalar un variador de velocidad Datos Motor

Voltaje nominal Vr 575 volts

Corriente nominal Ir 29 amps

Voltaje medido V 580 volts

Corriente medida I 20,53 amps

Fase eléctrica Y 1,73

3Ø 1,73

2Ø 2

1Ø 1

Potencia de salida al eje nominal - kW

Factor de potencia nominal p.f r 0,88 decimal

Factor de potencia medido p.f 0,79 decimal

ratio de carga 0,64

Eficiencia de motor Ef m 0,91 Figura 18

Potencia eléctrica de entrada Wmi 16,27 kW

Potencia de entrega al eje Wmo - kW

Datos Bomba

Caudal inicial fw1 71,7 m3/h

Caudal corregido fw2 35 m3/h

Altura de bomba inicial HdT1 42 m

Altura de bomba corregido HdT2 10 m

Tiempo total de operación h 4.518 h/año

Costo de energía eléctrica Ce 64 $/kWh

Potencia eléctrica de entrada Wmi1 16,27 kW

Potencia de bomba inicial Wp1 8,21 kW

Potencia de comba corregido Wp2 0,95 kW

Potencia eléctrica de entrada

corregido Wmi2 1,89 kW

Ahorro anual de energía 64.979,76 kWh Ahorro económico anual 4.158.704 $/año El costo estimado de instalar un variador de velocidad es de $6.890.0008 El tiempo de retorno de la inversión: Inversión inicial /Ahorro anual

El tiempo de retorno es =$6.890.000/$4.158.704=1,6 años

8

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Guía de Asistencia Técnica de EE en Sistemas Motrices Pág. 40

6.2.5 Medida 5: Instalar una bomba más eficiente

Una bomba centrifuga de baja eficiencia que ha operado por 30 años en una planta de tratamiento de agua será reemplazada por otra de alta eficiencia.

Las mediciones indican que la bomba ha estado operando a 90,7 m3 _{/h y 49m de altura} total de bomba. La nueva bomba seleccionada tiene una eficiencia de 77% y una potencia de entrada al eje de 15,73 kW en iguales condiciones de operación que la anterior. La nueva bomba es impulsada por un motor de 18,65 kW y una eficiencia de 93% y un factor de potencia de 0,85.

Datos:

Datos medidos relativos al motor:

Datos Motor

Voltaje nominal Vr 575 volts

Corriente nominal Ir 38,6 amps

Voltaje medido V 570 volts

Corriente medida I 34 amps

Fase eléctrica Y 1,73

3Ø 1,73

2Ø 2

1Ø 1

Potencia de salida al eje nominal - kW

Factor de potencia nominal p.fr 0,85 decimal

Factor de potencia medido p.f 0,80 decimal

Datos relativos a la bomba:

Datos Bomba

Caudal inicial fw1 90,7 m3/h

Altura de bomba inicial HdT1 49 m

Tiempo total de operación h 8760 h/año

Costo de energía electrica Ce 64 $/kWh

Potencia de entrada al eje de la bomba corregida Wpi2 15,73 kW

Fórmulas Fórmulas Ratio de carga = Ratio de carga =  IrxVrxpf  IrxVrxpfr r   IxVxpf   IxVxpf  Ratio de carga = Ratio de carga = 00,,8282 85 85 ,, 0 0 575 575 6 6 ,, 38 38 80 80 ,, 0 0 570 570 34 34 = =  x  x  x  x  x  x  x  x

Eficiencia del Motor Eficiencia del Motor

Figura 20 Factor de potencia y eficiencia eléctrica

Figura 20 Factor de potencia y eficiencia eléctrica

Fuente: Energy Management Series 13 For industry commerce and institutions Fans Fuente: Energy Management Series 13 For industry commerce and institutions Fans

and Pumps. and Pumps.

De la Figura 20, se obtiene el valor de la eficiencia del motor Ef 

De la Figura 20, se obtiene el valor de la eficiencia del motor Ef mm=0.92=0.92 Potencia eléctrica de entrada al motor:

Potencia eléctrica de entrada al motor: (( )) 1000 1000 KW KW  VxIxYxpf  VxIxYxpf  Wmi Wmi==

Potencia de salida al eje del motor:

Potencia de salida al eje del motor: WmoWmo==WmixEf WmixEf _mm((KW KW ))

Potencia de entrada del motor corregida:

Potencia de entrada del motor corregida: 22 22 ((_KW KW ))

 xEf   xEf   Ef   Ef  Wp Wp Wmi Wmi d  d  m m ii                   = = ;;

Guía

Guía de de Asistencia Asistencia Técnica Técnica de de EE EE en en Sistemas Sistemas Motrices Motrices Pág. Pág. 4242

Ahorro de energía anual:

Ahorro de energía anual: ((WmiWmi11−−WmiWmi22)) xh xh((KWhKWh))

Ahorro económico anual:

Ahorro económico anual: ((WmiWmi11−−WmiWmi22)) xhxCe xhxCe($($ /  / añoaño))

Tabla resumen de los datos conocidos y los resultados encontrados, según Tabla resumen de los datos conocidos y los resultados encontrados, según fórmulas anteriores:

fórmulas anteriores:

Medida : Instalar una bomba más eficiente

Medida : Instalar una bomba más eficiente

Datos Motor

Datos Motor

Voltaje

Voltaje nominal nominal Vr Vr 575 575 voltsvolts Corriente

Corriente nominal nominal Ir Ir 38.6 38.6 ampsamps Voltaje

Voltaje medido medido V V 570 570 voltsvolts Corriente

Corriente medida medida I I 34 34 ampsamps Fase

Fase eléctrica eléctrica Y Y 1,731,73

3Ø 1,73 3Ø 1,73 2Ø 2Ø 22 1Ø 1Ø 11 Potencia

Potencia de de salida salida al al eje eje nominal nominal kWkW Factor

Factor de de potencia potencia nominal nominal pfr pfr 0,850,85 Factor

Factor de de potencia potencia medido medido pf pf 0,800,80 ratio

ratio de de carga carga 0,820,82

Eficiencia

Eficiencia de de motor motor Ef Ef mm 0,92 0,92 Figura Figura 1919 Potencia

Potencia eléctrica eléctrica de de entrada entrada WWmimi 26,82 kW26,82 kW Potencia

Potencia de de entrega entrega al al eje eje WWmomo 24,68 kW24,68 kW Datos Bomba

Datos Bomba

Caudal

Caudal inicial inicial f f w1w1 90,7 m90,7 m33 /h /h Altura

Altura de de bomba bomba inicial inicial HdT1 HdT1 49 49 mm Tiempo

Tiempo total total de de operación operación h h 8.760 8.760 h/añoh/año Costo

Costo de de energía energía eléctrica eléctrica Ce Ce 64 64 $/kWh$/kWh Potencia

Potencia eléctrica eléctrica de de entrada entrada Wmi1 Wmi1 26,82 26,82 kWkW Potencia de entrada al eje de la bomba

Potencia de entrada al eje de la bomba corregida

corregida Wpi2 Wpi2 15,7315,73 kW (curvaskW (curvasdel fabricante)del fabricante) Eficiencia

Eficiencia de de conducción conducción Ef Ef dd 0,96 0,96 Figura Figura 1717 Potencia

Potencia eléctrica eléctrica de de entrada entrada corregido corregido Wmi2 Wmi2 17,8 17,8 kWkW Ahorro

Ahorro anual anual de de energía energía 85.183,06 85.183,06 kWhkWh Ahorro

Ahorro económico económico anual anual 5.451.716 5.451.716 $/año$/año El costo estimado de la instalación de una nueva bomba es US$2.650.000 El costo estimado de la instalación de una nueva bomba es US$2.650.00099 El tiempo de retorno de la inversión: Inversión inicial /Ahorro anual

El tiempo de retorno de la inversión: Inversión inicial /Ahorro anual El tiempo de retorno es =$2.650.000/$5.451.716= 0,5 años

El tiempo de retorno es =$2.650.000/$5.451.716= 0,5 años

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