UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA EQUINOCCIAL
FACULTAD DE CIENCIAS DE LA INGENIERÍA E
INDUSTRIAS
CARRERA DE INGENIERÍA MECATRÓNICA
CONVERSIÓN DE UN SISTEMA DE DESALINIZACIÓN
BASADO EN ENERGÍAS FÓSILES A ENERGÍA ELÉCTRICA, Y
DISEÑO DE SISTEMA DE CONTROL.
TRABAJO PREVIO A LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO DE INGENIERO MECATRÓNICO
GONZÁLEZ COBOS CARLOS MAURICIO
DIRECTOR: ING. GONZALO GUERRÓN MSC.
FORMULARIO DE REGISTRO BIBLIOGRÁFICO
PROYECTO DE TITULACIÓN
DATOS DE CONTACTO
CÉDULA DE IDENTIDAD: 171966838-4
APELLIDO Y NOMBRES: González Cobos Carlos Mauricio
DIRECCIÓN: Marquesa de Solanda E6-70 y Abdón
Calderón
EMAIL: cmgc1993@gmail.com
TELÉFONO FIJO: 02-207-2357
TELÉFONO MOVIL: 099-555-5372
DATOS DE LA OBRA
TITULO: Conversión de un sistema de desalinización basado en energías fósiles a energía eléctrica, y diseño de sistema de control AUTOR O AUTORES: Carlos Mauricio González Cobos FECHA DE ENTREGA DEL PROYECTO
DE TITULACIÓN: 30 de Marzo del 2017
DIRECTOR DEL PROYECTO DE
TITULACIÓN: Ing. Gonzalo Efraín Guerrón López
PROGRAMA PREGRADO POSGRADO TITULO POR EL QUE OPTA: Ingeniero en Mecatrónica
dichos parámetros se procede a determinar los niveles de eficiencia energética alcanzados por el motor de combustión interna. Luego se escoge el motor eléctrico adecuado para las condiciones de carga presentes. Posteriormente se definen las condiciones de montaje mecánico así como el sistema de control que se va a implementar en la planta. Como siguiente paso, y con los componentes ya establecidos, se procede a realizar un modelado CAD de la planta, con la finalidad de demostrar la integración final de los componentes. También se presenta una simulación parametrizada con datos reales del motor eléctrico a implementar, donde se evidencian datos correspondientes al funcionamiento de la planta, su consumo energético y parámetros de operación. Finalmente se comparan los niveles de eficiencia del motor de combustión interna previamente determinados y se comparan con los del motor eléctrico que lo reemplazará, haciendo una justificación fundamentada de dicho reemplazo, desde el punto de vista de la sostenibilidad energética alcanzada con el nuevo sistema de locomoción planteado. Así mismo, y como parte de los resultados de la presente investigación, se definen los impactos ambientales mitigados gracias al reemplazo.
PALABRAS CLAVES: Desalinizadora, Ósmosis inversa, Motor, Eficiencia energética, Reemplazo.
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ÍNDICE DE CONTENIDOS
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1. INTRODUCCIÓN ... 1
1.1 DESALINIZACIÓN DE AGUA. ... 1
1.2 COMPONENTES Y MEDIOS DE LOCOMOCIÓN. ... 4
1.3 DETERMINACIÓN DE LA EFICIENCIA DE LOS MOTORES DE COMBUSTIÓN INTERNA ... 7
1.4 DISTORSIÓN ARMÓNICA Y CALIDAD ENERGÉTICA. ... 9
2. METODOLOGÍA ... 11
2.1 DETERMINACIÓN DE LOS PARÁMETROS REALES DE FUNCIONAMIENTO DEL MOTOR DE COMBUSTIÓN INTERNA A REEMPLAZAR. ... 12
2.2 REEMPLAZO DEL MOTOR DE COMBUSTIÓN INTERNA A UN MOTOR ELÉCTRICO. ... 13
2.3 CONSTRUCCIÓN DE LA ESTRUCTURA BASE DEL MOTOR ELÉCTRICO ... 14
2.4 SISTEMA DE CONTROL. ... 15
2.6 MODELADO CAD Y SIMULACIÓN POSTERIOR AL REEMPLAZO ... 16
2.7 DETERMINACIÓN DE LA EFICIENCIA DEL MOTOR DE COMBUSTIÓN INTERNA. ... 19
3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN ... 23
3.1 COMPARACIÓN DE LOS NIVELES DE EFICIENCIA ENERGÉTICA ALCANZADOS. ... 24
3.2 RECONOCIMIENTO DE LOS IMPACTOS AMBIENTALES MITIGADOS LUEGO DEL REEMPLAZO ... 24
3.3 RESULTADOS DE LA SIMULACIÓN ... 25
4. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ... 29
CONCLUSIONES ... 30
RECOMENDACIONES ... 30
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ÍNDICE DE TABLAS
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Tabla 1. Características generales de los diferentes tipos de membranas. ... 3
Tabla 2. Distribución promedio de pérdidas en motores eléctricos. ... 6
Tabla 3. Características principales del motor W22 Magnet IE5 Ultra
Premium de 6 polos. ... 14
Tabla 4. Parámetros de funcionamiento del motor trifásico empleado en la simulación. ... 17
Tabla 5. Configuración de la carga simulada aplicada al motor. ... 17
Tabla 6. Descripción de los componentes integrados en el modelo CAD.... 19
Tabla 7. Características generales del motor de combustión interna a
reemplazar. ... 19
Tabla 8. Valores de entalpia estándar para distintas sustancias. ... 20
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ÍNDICE DE FIGURAS
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Figura 1: Diagrama de conexiones estrella-triángulo de un motor eléctrico. . 7
Figura 2: Etapas de funcionamiento del motor a cuatro tiempos. ... 9
Figura 3: Esquema del montaje de un dinamómetro hidráulico ... 12
Figura 4: Curvas Potencia y Torque vs. RPM del motor Robin EY 20D ... 13
Figura 5: Vistas frontal e isométrica del montaje al piso del motor eléctrico ... 15
Figura 6: Esquema de conexiones de potencia del variador de frecuencia Weg CFW11 ... 16
Figura 7: Modelo simulado del variador de frecuencia integrado al motor eléctrico trifásico. ... 18
Figura 8: Modelo CAD de la planta desalinizadora. ... 18
Figura 9: Parámetros de funcionamiento del motor simulados. ... 26
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ÍNDICE DE ANEXOS
PAGINA
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RESUMEN
En el presente documento se detallan los pasos a seguir para realizar el cambio del sistema de locomoción de una planta desalinizadora convencional de ósmosis inversa. Dicho cambio se basa en el reemplazo del motor de combustión interna por uno eléctrico que será responsable de accionar la bomba generadora de flujo de solvente de la máquina. Como primer punto se establecen los parámetros reales de funcionamiento del motor de combustión interna, y se comparan con las características presentes en los motores eléctricos disponibles en el mercado. Una vez definidos dichos parámetros se procede a determinar los niveles de eficiencia energética alcanzados por el motor de combustión interna. Luego se escoge el motor eléctrico adecuado para las condiciones de carga presentes. Posteriormente se definen las condiciones de montaje mecánico así como el sistema de control que se va a implementar en la planta. Como siguiente paso, y con los componentes ya establecidos, se procede a realizar un modelado CAD de la planta, con la finalidad de demostrar la integración final de los componentes. También se presenta una simulación parametrizada con datos reales del motor eléctrico a implementar, donde se evidencian datos correspondientes al funcionamiento de la planta, su consumo energético y parámetros de operación. Finalmente se comparan los niveles de eficiencia del motor de combustión interna previamente determinados y se comparan con los del motor eléctrico que lo reemplazará, haciendo una justificación fundamentada de dicho reemplazo, desde el punto de vista de la sostenibilidad energética alcanzada con el nuevo sistema de locomoción planteado. Así mismo, y como parte de los resultados de la presente investigación, se definen los impactos ambientales mitigados gracias al reemplazo.
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ABSTRACT
This document details the steps of how to do the replacement of a locomotion system of a conventional reverse osmosis desalination plant that consists in the substitution of the internal combustion engine by an electrical one, which will be responsible to drive the pump that generates the solvent flux of the machine. As first step, are set the current operating parameters of the internal combustion engine and compared with the characteristics of the different kinds of electric motors shown in the market. Once defined this parameters the next step is to determine the energetic efficiency levels reached by the internal combustion engine. Then the appropriate electrical motor is chosen for the present load conditions. Then are set the conditions for the mechanical assembly as well as the control system that will be implemented in the working plant. With the different components established, it proceeds to make a CAD modeling of the plant, with the purpose of showing the final integration of the components. A parameterized simulation is also presented with real data of the electrical motor, which reveals the different data corresponding to the system operation, their energy consumption and operation parameters. Finally the energetic efficiency levels of the internal combustion engine and the electrical motor are compared, making a substantiated justification of the replacement, seen by the energetic sustainability reached by the locomotion system raised previously. As part of the results of this investigation, are defined the mitigated environmental impacts.
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La sostenibilidad energética, desde un punto de vista industrial, es un tema que se ha venido estudiando desde hace varios años atrás, y más aún cuando se trata de predecir el final de la era del petróleo y con este los impactos que se generarían en una sociedad dependiente de las energías fósiles, ya desde 1971 el geofísico King Hubbert publicó una proyección de esta problemática en Scientific American. De ahí en adelante se han hecho varios estudios en donde se predice que a partir del cenit del petróleo la producción petrolera descenderá de 3% a 5% anual (Ballenilla, 2005). Esto nos impulsa como sociedad a utilizar sistemas que no generen dependencia hacia los combustibles fósiles, sino que más bien se pongan en marcha con la ayuda de energías alternativas y renovables.
En base a lo mencionado anteriormente y gracias a la necesidad humana del consumo de agua como recurso no renovable, como medida para suplir estas dos necesidades, se plantea el diseño de una planta desalinizadora de osmosis inversa que prescinda de un motor a combustión interna impulsado por combustible fósil, en su lugar será reemplazado por un motor eléctrico de mediana carga. Debido a que la nueva fuente será eléctrica el costo de la operación se verá afectado, se disminuirán las vibraciones producidas por el mecanismo biela – manivela del cual generalmente están compuestos los MCI (motor a combustión interna), vibraciones que son producidas por el rozamiento mecánico que existe entre el pistón y el cilindro de la cámara de combustión. El costo de mantenimiento será menor debido a la ausencia de lubricantes que permitan el funcionamiento del mecanismo, así mismo el desgaste mecánico se verá significativamente reducido. Con el adecuado diseño de los acoples mecánicos y un sistema de control que mantenga las variables del proceso en sus valores estables se podrá demostrar la eficiencia energética del nuevo sistema (Campos, 2008).
El objetivo general de este trabajo de titulación es realizar el diseño tanto del acople mecánico de la nueva fuente de energía (motor eléctrico) de la desalinizadora de osmosis inversa, como del sistema de control que monitoree variables como: la velocidad del motor, torque en base al caudal de entrada y el de salida.
Los objetivos específicos del presente trabajo son:
Determinar la eficiencia de una desalinizadora convencional y comparar con la eficiencia del sistema propuesto.
Determinar los impactos ambientales tanto antes como después de la sustitución planteada.
1.1 DESALINIZACIÓN DE AGUA.
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el agotamiento de los recursos hídricos está en evidente evolución y se predice que el consumo de agua de la población mundial es el doble cada veinte años, es decir, que el consumo de agua crece dos veces más rápido que la propia población humana. De mantenerse esta tendencia se prevé que para el 2025 la demanda de agua dulce superará la oferta en un 56% (Barlow , 2001).
Muchas veces la escasez de agua dulce coincide en poblaciones con un gran perfil costanero. Se han desarrollado técnicas de trasvase de agua inter cuencas (Principalmente en España), pero tal como señala Antonio Lamela en su artículo: “Desalinización (o desalación) de agua de mar” Estas son técnicas que lejos de ofrecer ventajas en el abastecimiento óptimo de recursos hídricos, hacen que la cuenca cedente tenga graves consecuencias ambientales y económicas negativas para su desarrollo (Lamela, 2004). La desalinización de agua salobre y de mar constituye una solución renovable a esta problemática. Es una técnica que, en general, consiste en la separación artificial de sales de un solvente, dejando como residuo la salmuera que contiene los diferentes minerales de concentración salina (Palomar Herrera & Losada Rodríguez, 2008).
Entre las principales técnicas de desalinización de agua se encuentran: La destilación súbita (MSF), la destilación por múltiple efecto (MED) y la desalinización por ósmosis inversa (RO), existen otras técnicas que están en fase de estudio o no se han desarrollado totalmente. Estas tecnologías se diferencian por su costo de producción, su consumo energético y obviamente por su principio de funcionamiento. Siendo las plantas de RO en promedio las más óptimas con un consumo energético de 2 a 2.8 kWh/m3 y
un costo de 0.6 USD/m3 en promedio, en comparación las tecnologías MED
y MSF que consumen de 3.4 a 4 kWh/m3 y de 5 a 8 kWh/m3
respectivamente, y un costo de producción de 1.5 USD/m3 y 1.1 USD/m3
(Dévora Isiordia, González Enriquez , & Ponce Fernandez, 2012).
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Debido a que es una tecnología basada en la utilización de una membrana separadora de solvente y soluto, existen varias consideraciones a tomar en cuenta respecto a la membrana que será utilizada para un adecuado funcionamiento de la planta desalinizadora. A continuación se presenta una tabla donde se detallan las características más básicas de las cuales están compuestas dichas membranas, en donde se pueden observar la tolerancia del total de sólidos disueltos (TDS, por sus siglas en inglés) y su presión máxima de funcionamiento (Kucera, 2010):
Tabla 1. Características generales de los diferentes tipos de membranas. Tipo de membrana. Total de sólidos disueltos.
(ppm)
Presión. (psi) Agua de mar. 35,000 < TDS < 50,000 P > 1500 Agua salobre. 4,000 < TDS < 5,000 P ≈ 600
(Kucera, 2010)
La presión es un dato que se maneja para satisfacer el requerimiento de flujo, tomando en cuenta las presiones óptimas de funcionamiento de las membranas, la presión diferencial y el flujo de solvente están relacionados en la ecuación 1.
𝐽𝑤 = 𝐴(∆𝑃 − ∆ℿ) [1]
Donde Jw es el flujo de solvente, A es la constante de permeabilización de la membrana, ΔP es la presión diferencial y Δπ la diferencia de la presión osmótica, se debe tomar en cuenta que la presión es directamente proporcional al flujo, y con este, el porcentaje de rechazo de sales (Kucera, 2010).
Los retos tecnológicos cada vez son más grandes y la necesidad de impulsar las desalinizadoras mediante energías renovables alternativas se hace cada vez más evidente, en especial en poblaciones donde el acceso a ciertos recursos es limitado. Las plantas de baja escala (< 10m3/día) están
siendo utilizadas para evidenciar la factibilidad del uso de estas energías. (Greenlee, Lawler, Freeman, Marrot , & Moulin, 2009). Por ejemplo un estudio realizado en Atenas demostró que es posible adaptar un sistema fotovoltaico con un arreglo de baterías conectadas directamente a un motor DC con una potencia máxima de 510 W, sin embargo se pudo determinar que el consumo energético fue de 20kWh/m3 y que el costo de producción
fue 7.8 €/m3. Valores que están por encima de los habituales, pero aún se
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En Israel, debido a la falta de agua dulce se ha elaborado un plan nacional de desalinización, estableciendo objetivos a largo plazo, más precisamente hasta el 2020, entre los cuales está el garantizar la oferta de agua que satisfaga la demanda de la población. Se han desarrollado diferentes avances tecnológicos en la constitución de la membrana separadora que han aumentado la eficiencia de estos sistemas, mismos que han alcanzado costos de operación de hasta 0.5 USD/m3 (Spiritos & Lipchin, 2013). En este país de medio oriente se encuentran las más grandes plantas de desalinización por ósmosis inversa del mundo. En conjunto las plantas de Palmachín y Ashkelon (las más grandes del país) en 2007 fueron capaces de liberar 130 millones de m3/año, alrededor del 8% del total de agua potable
del país, cifra que aumentaría en 2010 a 315 millones de m3/año y que para
el 2020 se presume aumentará 650 millones de m3/año (Dreizin, Tenne, &
Hoffman, 2007).
1.2 COMPONENTES Y MEDIOS DE LOCOMOCIÓN.
Motores a combustión interna (MCI).
La desalinización por ósmosis inversa es el procedimiento de separación de sales minerales más simple, y se constituye básicamente de un sistema de bombeo y una membrana que cumple la tarea de rechazo de sales (Kucera, 2010). En la descripción general del proceso de desalinización de ósmosis inversa, se han aclarado los procedimientos de pretratamiento del agua, además de los parámetros a tomar en cuenta en cuanto a la membrana de separación.
Para efectos del presente análisis investigativo se hará énfasis en los métodos de locomoción del fluido, tomando en cuenta que el sistema de bombeo de agua en los procesos de desalinización de osmosis inversa constituye aproximadamente el 40% de la inversión inicial del proyecto (Ospina , 2008). Tradicionalmente se han utilizado motores a combustión interna, principalmente a diésel. Debido a los bajos índices de eficiencia y a las emisiones de CO2 se ha considerado que procesos de desalinización
accionados por estos mecanismos operan a un costo socio-ambiental muy elevado (Setiawan & Chem, 2009).
Un motor a combustión interna es capaz de convertir energía química en energía mecánica, para efectos de esta conversión, se mezcla combustible y comburente en una cámara de compresión y mediante una chispa se hace explotar dicha mezcla, la energía cinética acumulada en las partículas de gas comprimido empujan el mecanismo biela manivela haciendo girar el cigüeñal, elemento que será el responsable de transmitir la energía mecánica al sistema (Santander, 2010).
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Motores eléctricos.
La importancia de los motores eléctricos en el sector industrial es innegable, se estima que aproximadamente estos ocupan el 60% de la energía eléctrica total suministrada para el sector industrial. Debido a que el costo de operación por el consumo energético supera en un alto porcentaje al costo del motor en sí, es importante analizar las variables que ayudan al motor a alcanzar un alto índice de eficiencia para hacer un uso racional de la energía eléctrica (Quispe & Mantilla , 2011).
Aunque, a diferencia de los motores de combustión interna, estos actuadores no necesitan de un agente combustible directamente relacionado a su funcionamiento, se sabe que muchas de las plantas generadoras de energía eléctrica están impulsadas por energías fósiles. Se estima que para que estos motores funcionen se deben emitir 37 millones de toneladas de CO2 al año, cifra que con un alto índice de eficiencia representa un uso más
responsable de esta energía (Timmer, Helinko, & Eskola, 2007).
Un factor poco deseable en este tipo de actuadores es el deslizamiento. Para efectos de un mejor entendimiento del concepto de deslizamiento se recurre a un concepto llamado velocidad de deslizamiento, y este es la diferencia que existe entre la velocidad de giro del campo magnético y la velocidad de giro del rotor, tal cual se muestra con la siguiente expresión (Chapman, 2012):
𝑛𝑑𝑒𝑠 = 𝑛𝑠𝑖𝑛𝑐− 𝑛𝑚 [2]
Una vez conocido el deslizamiento del motor asíncrono se procede a calcular la frecuencia a la que debe trabajar para obtener la velocidad angular deseada en el rotor, además de evitar sobre cargas y poder lograr índices de eficiencia más elevados (Quispe & Mantilla , 2011). Se conoce que la frecuencia de la red eléctrica convencional esta estandarizada a aproximadamente 60Hz, entonces se necesita un sistema que proporcione la frecuencia deseada de trabajo del motor y los variadores de frecuencia ayudarán a realizar dicha tarea (Ventura, 2008).
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En un estudio realizado por la Universidad Nacional de Colombia, mediante un modelado por elementos finitos, se analizó un motor a inducción asincrónico de 4 polos tipo jaula de ardilla, de 7,5 kW y velocidad nominal controlada de 1465 rpm. Se determinó que la mayoría de perdidas eléctricas se presentan debido a la baja eficiencia térmica de los componentes internos del motor, además se concluyó que las pérdidas se elevan de manera exponencial al aumentar la potencia de entrada, sin embargo se puso en evidencia que si se construye la jaula de ardilla de cobre se mejora la eficiencia en lugar de si se construyese con aluminio. (Cortés, Deprez, Driesen, & Pérez, 2008).
Además de todo lo citado anteriormente se tiene que en un motor a inducción asincrónico en promedio alcanza índices de eficiencia nominal promedio de 82% a 93.5%, sin embargo se presentan pérdidas por: corrientes de estator, corrientes de rotor, de núcleo magnético, fricción y ventilación y por carga adicional. A continuación se presenta un cuadro explicativo donde se detallan los porcentajes que supone cada tipo de consumo ineficiente de energía (Quispe & Mantilla , 2011).
Tabla 2. Distribución promedio de pérdidas en motores eléctricos. Componentes Pérdidas en el Motor % Pérdidas totales Pérdidas Conductores Estator 37
Pérdidas Conductores Rotor 18 Pérdidas Núcleo Magnético 20 Pérdidas Fricción y Ventilación 9 Pérdidas adicionales en carga 16
(Quispe & Mantilla , 2011).
La tabla citada anteriormente muestra las pérdidas que generalmente presentan los motores eléctricos. Dichas pérdidas están distribuidas a nivel porcentual donde la principal fuente de descompensación son las pérdidas en los devanados del estator, las cuales constituyen un 37% de energía no aprovechada por el motor.
Una de las formas convencionales y más utilizadas en la industria para arranque de motores trifásicos es la conexión estrella-triángulo, este modelo de conexión consiste en cortocircuitar las fases del motor en lo que se conoce como la fase “estrella”, luego de un tiempo establecido se conectan los devanados de una manera secuencial en lo que se conoce como la fase “triángulo”.
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lo cual evita las perdidas por presencia de corrientes parásitas en los devanados del motor.
Posteriormente en la fase “triángulo” se aumenta la tensión en los devanados de inducción, aumentando la potencia consumida por el motor, así como el par electromecánico con el que deberá funcionar el motor (Perez Cruz, 2012).
Figura 1: Diagrama de conexiones estrella-triángulo de un motor eléctrico.
(Perez Cruz, 2012)
En la figura anterior se puede observar, tanto el diagrama de fuerzas, como el diagrama de control de un motor a inducción conectado en estrella-triangulo. En el diagrama de fuerzas se pueden apreciar las correspondientes protecciones de línea mientras que en el diagrama de control se observan los pulsadores que accionaran los contactores responsables del cambio de estrella a triangulo.
1.3 DETERMINACIÓN DE LA EFICIENCIA DE LOS MOTORES
DE COMBUSTIÓN INTERNA
En el caso de los motores de combustión interna, por tratarse de máquinas térmicas, cuyo funcionamiento está ligado a la conversión de energía química en energía mecánica a través de la combustión de materia, el cálculo de eficiencia toma en cuenta tres aspectos principales: la eficiencia de la combustión empleada, la eficiencia térmica del motor y la eficiencia volumétrica. (Cengel & Boles, 2012).
𝑛𝑔 = 𝑛𝑐∗ 𝑛𝑡∗ 𝑛𝑣 [3]
Donde 𝑛𝑔 hace referencia a la eficiencia energética global alcanzada por el
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La eficiencia de la combustión es un parámetro que necesita cálculos termoquímicos complejos, y se refiere a la cantidad de calor que se genera por medio de la combustión y que puede ser utilizado para efectos de realizar un trabajo mecánico, con respecto al poder calorífico inferior del combustible empleado. El resto del calor no aprovechado puede disiparse en el ambiente o en los gases residuales, estas pérdidas se conocen como entalpia de combustión.
La entalpia de combustión es la cantidad de calor que se necesita para generar la reacción química responsable de la locomoción del motor y se calcula como la diferencia entre la entalpia de productos a la temperatura de escape de gases menos su entalpia a temperatura ambiente (25 °C o 298,15 °K) (Serrano, 2005).
De esta manera se puede calcular la eficiencia de la combustión con la siguiente formula:
𝑛𝑐𝑜𝑚𝑏𝑢𝑠𝑡𝑖ó𝑛 = 𝑃𝐶𝐼 − (𝐻𝑝𝑟𝑜𝑑,𝑇− 𝐻𝑝𝑟𝑜𝑑,298,15 𝐾) 𝑃𝐶𝐼
[4]
Donde PCI es el poder calorífico inferior del combustible a utilizarse, 𝐻𝑝𝑟𝑜𝑑,𝑇 es la entalpia de los productos a la temperatura de escape de gases (T) y 𝐻𝑝𝑟𝑜𝑑,298,15 𝐾 es la entalpia a temperatura ambiente (Serrano, 2005).
Se define a la eficiencia volumétrica como la relación entre la masa de aire atrapada en un cilindro y la capacidad total de almacenamiento del motor en la cámara de combustión. En otras palabras, que tan capaz es el motor de almacenar aire que sirva como agente comburente para la combustión (EVA, 2002).
La fórmula utilizada convencionalmente para calcular la eficiencia volumétrica es:
𝑛𝑣 =
𝑀 𝑉𝑑 ∗ 𝜌𝑎𝑖𝑟𝑒
[5]
Donde M es igual a la masa de aire aspirado por el motor por cada ciclo, Vd es el volumen desplazado en un ciclo por cada cilindro y 𝜌𝑎𝑖𝑟𝑒 es la densidad
del aire a la entrada de la admisión del motor.
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porcentaje de calor generado para la locomoción y está descrita por el siguiente modelo:
𝑛𝑡é𝑟𝑚𝑖𝑐𝑎 = 1 𝑟𝛾−1[
𝑟𝑝𝑟𝑐𝛾− 1
𝛾𝑟𝑝(𝑟𝑐 − 1) + 𝑟𝑝− 1
] [6]
En esta expresión 𝑟 es la relación de compresión, 𝑟𝑐 la relación de corte, 𝑟𝑝 la
relación de presiones y 𝛾 el cociente de dilatación adiabática del aire. En un estudio comparativo para valores ideales de relación de compresión, corte y de presiones se determinó que la mayor eficiencia alcanzada fue del 63.6%, con valores ideales de 𝛾𝑐 = 2, 𝛾𝑝= 14 y 𝛾 = 16, obviamente para un motor real este número disminuye considerablemente (Malaver, 2008).
Figura 2: Etapas de funcionamiento del motor a cuatro tiempos.
(Santander, 2010)
La potencia en un motor de combustión interna puede medirse en caballos de fuerza (HP) o en Kilovatios (Kw), estas dos magnitudes tienen una relación de 1.36, es decir, 1 Kw = 1.36 HP. La potencia de estos motores depende de dos factores: el cilindraje y la velocidad de rotación del cigüeñal, el cilindraje determina la capacidad del motor de admitir gases que pueden ser quemados y es una magnitud que se puede medir en cm3 (Santander,
2010).
1.4 DISTORSIÓN ARMÓNICA Y CALIDAD ENERGÉTICA.
Existe un nivel de distorsión no deseada causada por las frecuencias armónicas de la señal fundamental. Dichas distorsiones se presentan cuando a un sistema de distribución eléctrico se aplican cargas no lineales, hecho que ocurre con frecuencia en la utilización de motores eléctricos.
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circuito), mientras que para voltajes negativos es teóricamente infinito (circuito abierto).
Un motor trifásico más un variador de frecuencia combinados constituyen una carga no lineal. Esto gracias a dos causas fundamentales, la primera es la etapa de conversión de AC a DC de la señal trifásica, donde aparte de la utilización diodos para la rectificación, se emplea un condensador para el filtrado de la señal. La segunda causa es que los devanados del motor, tanto del estator como del rotor, le permiten operar al mismo como un generador, introduciendo así corrientes parasitas al sistema.
Primero se debe tener claro que es un armónico. Según la norma IEEE-519 un armónico es el contenido de la señal cuya frecuencia es un múltiplo entero de la frecuencia fundamental de operación (Mora-Barajas & Bañuelos-Sánchez, 2010). Dichos armónicos pueden generar perturbaciones no deseadas en la red eléctrica debido a los bajos niveles de simetría que tiene con la onda fundamental, así como los picos no deseados que pueden contaminar a la red con corrientes parásitas.
La distorsión armónica total, (THD por sus siglas en inglés), es un índice que evalúa la relación porcentual entre el valor del total de las componentes armónicas y el valor eficaz de la componente fundamental. Es aplicable tanto para ondas de corriente como de voltaje y se puede expresar de la siguiente manera:
𝑇𝐻𝐷𝐼 = √∑ 𝐼𝑘
2 ∞ 𝑘=2
𝐼1 ∗ 100% [7]
Donde k es el número de la armónica, I1 el valor eficaz de la onda
fundamental e Ik el valor eficaz del armónico k. El valor THD puede variar
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2.1 DETERMINACIÓN DE LOS PARÁMETROS REALES DE
FUNCIONAMIENTO DEL MOTOR DE COMBUSTIÓN INTERNA
A REEMPLAZAR.
Para realizar un reemplazo eficiente del motor de combustión interna a un motor eléctrico es necesario conocer los parámetros reales de funcionamiento del motor que se desea reemplazar, solo así podremos asegurar el adecuado funcionamiento del sistema de bombeo que necesita la planta desalinizadora en cuestión.
Parámetros obtenidos mediante un dinamómetro hidráulico.
El dinamómetro sirve para aplicar una fuerza de oposición al eje del motor que se desea obtener sus parámetros de funcionamiento, esta oposición se genera por la inyección de un fluido de caudal variable en su acueducto, generalmente este caudal es controlado por una válvula solenoide controlada manualmente a través de un reóstato. La presión generada por la oposición se mide mediante una galga extensiométrica, esta se codifica y se grafica generando así las gráficas de potencia y torque versus las RPM que son medidas mediante un encoder colocado en el eje del motor.
Figura 3: Esquema del montaje de un dinamómetro hidráulico
(Montilla & Arroyave, 2007).
Las curvas mostradas en la figura 4 corresponden a la medición de torque y potencia, además el trazo de sus gráficas respectivas comparadas con las proporcionadas por el fabricante, de un motor Robin EY 20D. Se pueden apreciar las diferencias existentes entre las gráficas experimentales trazadas a través del dinamómetro hidráulico y las proporcionadas por el fabricante.
Cabe destacar que en el trazo experimental se obtienen distintas curvas de funcionamiento del motor. En el experimento citado anteriormente se puede observar que la válvula solenoide se controló a diferentes presiones de agua donde el reóstato envió señales de 4, 6, 8, 10 y 12 mA. Para variar la resistencia de la carga al eje y obtener una adquisición de datos uniforme.
Entrada de agua Válvula solenoide Control de válvula
Dinamómetro
Motor Galga
extensiométrica
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Figura 4: Curvas Potencia y Torque vs. RPM del motor Robin EY 20D
(Montilla & Arroyave, 2007).
Así entonces los pasos para determinar los parámetros reales de funcionamiento del motor de combustión interna son los siguientes:
1. Desmontar el motor de combustión interna del sistema de bombeo de la desalinizadora.
2. Montar dicho motor sobre el dinamómetro. 3. Controlar la carga sobre el motor.
4. Decodificar la señal de la galga y del encoder para obtener potencia y RPM’s respectivamente.
5. Determinar los parámetros de funcionamiento a un número específico de RPM.
2.2 REEMPLAZO DEL MOTOR DE COMBUSTIÓN INTERNA A
UN MOTOR ELÉCTRICO.
Una vez que se conocen los parámetros de funcionamiento del motor de combustión interna con carga en su eje, se procede a realizar la elección del motor eléctrico que lo reemplazará, Se tomarán en cuenta variables como la potencia y torque, estas variables ya se obtuvieron mediante el acople del motor de combustión al dinamómetro anteriormente citado.
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Los motores eléctricos constituyen la fuerza motriz predominante en la industria a nivel mundial gracias a sus considerables ventajas, entre las que se encuentran:
Alta eficiencia energética. Facilidad de instalación.
Costos de mantenimiento relativamente bajos.
Alta cantidad de información sobre su funcionamiento.
Se utilizaría un motor Weg de la serie W22 Magnet IE5 Ultra Premium de 6 polos, a continuación se muestra una tabla que resuma las características más importantes del motor.
Tabla 3. Características principales del motor W22 Magnet IE5 Ultra Premium de 6 polos. Característica Valor Unidad
Potencia 4 KW
Frecuencia 50 Hz
Velocidad a plena carga 960 rpm Voltaje nominal 220 – 440 V Corriente nominal 16,3 – 8,17 A
Eficiencia 86,8 % -
Factor de potencia 0,74 -
De los datos presentados anteriormente se destaca la potencia del motor, la cual alcanza 4 KW (5,36 HP aproximadamente). Este dato es importante ya que se necesita suplir 3 HP de carga para alimentar la bomba de alta presión que necesita la desalinizadora. El sobre dimensionamiento se presenta por la necesidad de vencer la inercia del mecanismo en la fase de arranque.
Los demás datos son parámetros generales a tomar en cuenta, principalmente para realizar una instalación bajo las condiciones correctas. La eficiencia del sistema es un dato que se tomará en cuenta más adelante.
2.3 CONSTRUCCIÓN DE LA ESTRUCTURA BASE DEL
MOTOR ELÉCTRICO
Para instalar el motor eléctrico se necesita una estructura que soporte las vibraciones del funcionamiento de la máquina. Para lograr este requerimiento fundamental se precisa que el lugar de funcionamiento esté nivelado tanto longitudinal como transversalmente. Además es necesario una estructura regulable que permita la calibración del nivel antes mencionado. Para realizar la instalación son necesarios los siguientes elementos:
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Perfiles de acero. Pernos de sujeción. Tuercas.
Primero se sujeta la plancha base al armazón con los soportes necesarios que brinden la seguridad de que esté nivelado, luego se anclan los perfiles de acero a la placa de forma paralela y en dirección hacia donde se pretende irá el eje del motor. Finalmente se coloca el motor con los pernos y las tuercas de sujeción y se comprueba una vez más que se cumpla con la nivelación necesaria del sistema.
Finalmente se debe obtener un arreglo mecánico igual al mostrado a continuación:
Figura 5: Vistas frontal e isométrica del montaje al piso del motor eléctrico.
El montaje del motor sobre la placa base debe ser regulable de forma axial, de tal manera que la banda de transmisión entre la bomba y el motor no sufra esfuerzos adicionales y que la transmisión de potencia se realice adecuadamente. Adicionalmente, es necesario que entre el marco principal de la desalinizadora y la placa base del motor se coloquen topes de caucho que absorban las vibraciones generadas por el motor.
2.4 SISTEMA DE CONTROL.
16
Figura 6: Esquema de conexiones de potencia del variador de frecuencia Weg CFW11
(Grupo Weg, 2015).
En la figura anterior se puede observar la disposición interna de la fase de potencia del variador de frecuencia que se desea implementar. Este cuenta con una fase de rectificación trifásica, una etapa de pre carga para el filtrado de la señal y un inversor controlado por transistores IGBT su respectivo circuito de disparo. Donde la presencia de las fases de conexión de bus CC, conexión para resistencia de frenado y filtro RFI varía de acuerdo al modelo del variador de frecuencia elegido.
2.6 MODELADO CAD Y SIMULACIÓN POSTERIOR AL
REEMPLAZO
Con la finalidad de verificar los posibles resultados del reemplazo del motor de combustión interna por el motor eléctrico se ha realizado una simulación parametrizada en MATLAB Simulink. Este modelo representa al variador de frecuencia y al motor trifásico como un sistema integral.
Se utiliza una fuente de voltaje en DC de 400 V, la cual reemplaza la fase de rectificación y filtrado de la señal del variador de frecuencia. Esta señal entra a un inversor trifásico, el cual también está integrado en el variador de frecuencia que se plantea utilizar. El inversor necesita un generador de pulsos PWM de 6 salidas, una para cada transistor IGBT utilizado para conmutar la señal DC. Dicho generador de pulsos será el encargado de ofrecer al inversor la frecuencia de salida de la señal, (50Hz en el presente caso). La salida del inversor se conecta directamente al motor trifásico.
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Tabla 4. Parámetros de funcionamiento del motor trifásico empleado en la simulación. Magnitud Valor Unidad
Potencia nominal 4000 W Voltaje línea-línea 440 V Frecuencia 50 Hz
Polos 6 -
La tabla anterior muestra los parámetros con los cuales se ha configurado el motor trifásico en la simulación. Se pueden apreciar datos de suma importancia como su potencia nominal, la cual se preestableció en 4kW, el voltaje línea-línea parametrizado a 440 Vrms, así como frecuencia de operación y su número de pares de polos, los cuales son 50 y 3 respectivamente.
El motor posee un puerto donde se puede conectar la carga mecánica que soportará el eje. Debido a que la bomba ocupa aproximadamente el 70% de la potencia nominal del motor, el torque de carga también tendrá un valor cercano a dicha proporción gracias a la relación directa que existe entre torque y potencia para sistemas de bombeo. De esta manera, de los 40 Nm de torque nominal que soporta el motor a su capacidad máxima, solo se considerarán 28 Nm.
Tabla 5.Configuración de la carga simulada aplicada al motor.
Parámetros Step time 0.5 Valor inicial 0 Valor final 28 Tiempo de muestreo 10e-6
Finalmente se realiza el análisis de Fourier para el voltaje línea-línea y para la corriente del estator del motor, con la finalidad de realizar el estudio de la distorsión armónica total de dichas señales, y como estas afectan a la calidad energética de la red eléctrica.
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Figura 7: Modelo simulado del variador de frecuencia integrado al motor eléctrico trifásico.
En la figura mostrada anteriormente se muestra la integración final de los bloques de simulación. Es importante aclarar que el modelo cuenta con un entorno de programación discreto, con un tiempo de muestreo establecido de 10e-6 s. Dicho tiempo de muestreo debe ser configurado en cada uno de los bloques para que los resultados tengan concordancia. El compilador utilizado es el ode23tb con una tolerancia relativa de 1e-4.
A continuación se muestra el resultado del modelado CAD de la planta desalinizadora con todos sus componentes integrados, mostrando claramente cuál será la disposición final de los mismos y evidenciando la transmisión de potencia que se está utilizando.
Figura 8: Modelo CAD de la planta desalinizadora.
La figura 11 muestra, mediante un modelado CAD, la estructura base del motor anclada a la desalinizadora de ósmosis inversa que se ha estudiado. De la misma manera muestra la integración de los componentes y el acople
2
5
3
1
4
6
19
entre los ejes del motor eléctrico y de la unidad de bombeo MW3HP611B, mediante transmisión por poleas y tres bandas paralelas.
Tabla 6.Descripción de los componentes integrados en el modelo CAD.
Componente Descripción
1 Marco principal
2 Tubo de entrada de agua salada 3 Filtros de pre-tratamiento. 4 Membranas desalinizadoras
5 Salida de agua dulce y purga de salmuera. 6 Motor eléctrico
7 Banda de transmisión de potencia 8 Bomba de émbolo.
La tabla 6 muestra la descripción de cada componente mostrado en la figura 8, con la finalidad de facilitar el entendimiento de la integración de cada componente para un eventual análisis dimensional.
2.7 DETERMINACIÓN DE LA EFICIENCIA DEL MOTOR DE
COMBUSTIÓN INTERNA.
Antes de proceder a hacer la determinación de la eficiencia global del motor de combustión interna que se plantea reemplazar, es necesario presentar algunas características del mismo que facilitarán la comprensión del origen de ciertos datos utilizados para las operaciones matemáticas realizadas.
Tabla 7.Características generales del motor de combustión interna a reemplazar. Característica Especificación
Fabricante Mitsubishi Modelo GB 300 Tipo 4 tiempos Combustible Gasolina Cilindraje 300 cm3
Número de cilindros 1 Potencia máxima 7,1 kW
Peso 2 Kg
(Mitsubishi Heavy Industries, 2009)
Por la complejidad que supone hacer un cálculo real sobre la eficiencia del motor a combustión interna utilizado por la desalinizadora se hacen las siguientes suposiciones:
La combustión es completa, es decir, no hay presencia de combustible no quemado en la cámara de combustión después de la misma.
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La temperatura promedio de los gases de escape antes de ser catalizados es de 300 °C (Nakatsuji, 1998).
La reacción química que está presente en la combustión de octano presente en la gasolina que se obtiene comercialmente es:
2 C8H18 + 25 O2 + N2 = 16 CO2 + 18 H2O + N2 [8]
Tabla 8. Valores de entalpia estándar para distintas sustancias. Sustancia Fórmula 𝐻𝑓
𝑜
KJ/mol Dióxido de carbono CO2 −393.52
Vapor de agua H2O (g) −241.82
(Cengel & Boles, 2012)
Se procede a hacer el cálculo de entalpia de los productos y los reactantes, se puede definir que:
𝐻𝑓,𝐶𝑂𝑜 2 = 16 (−393.52) = −6,296.32 𝐾𝐽 𝑚𝑜𝑙
[9]
𝐻𝑓,𝐻𝑜 2𝑂 = 18 (−241.82) = −4,352.76 𝐾𝐽 𝑚𝑜𝑙
[10]
Dichos valores corresponden a la entalpia de los reactantes a temperatura ambiente. Los valores de entalpia de los productos de la combustión se calculan en base a la temperatura promedio de los gases de escape es decir 300 °C (573,15 K) mediante la siguiente expresión:
𝐻𝑓,573,15 𝐾 = 𝑁 (𝐻𝑓𝑂+ ∫ 𝐶𝑝 𝑑𝑇
573,15
298,15
) [11]
Donde 𝑁 es el número de moles de la sustancia presentes en la reacción, 𝐻𝑓𝑂 es la entalpia del compuesto a temperatura ambiente y 𝐶𝑝 el poder calorífico del compuesto a dicha temperatura (Brizuela & Romano, 2003). Para obtener dicho poder calorífico se utiliza la siguiente fórmula (Cengel & Boles, 2012):
𝐶𝑝 = 𝑎 + 𝑏𝑇 + 𝑐𝑇2 + 𝑑𝑇3 [12]
Cuyos coeficientes a, b, c y d se obtienen de la siguiente tabla:
Tabla 9. Coeficientes para el cálculo de calores específicos de diferentes sustancias.
Sustancia Formula A b c d
Dióxido de carbono CO2 22.26 5.981 x 10-2 -3.501 x 10-5 7.409 x 10-9
Vapor de agua H2O (g) 32.24 0.1923 x 10-2 1.055 x 10-5 -3.595 x 10-9
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Reemplazando los coeficientes y la temperatura deseada se obtiene que los calores específicos para el CO2 y el H2O son 0.04644 y 0.03613
respectivamente en KJ / cal * K. Se reemplazan estos valores en la ecuación 11, para el cálculo de entalpias y se tienen valores de −6092 𝐾𝐽 𝑚𝑜𝑙⁄ y −4173.91 𝐾𝐽 𝑚𝑜𝑙⁄ a 573.15 grados Kelvin (300 °C) para el CO2 y el H2O
respectivamente.
Entonces la diferencia de entalpias de productos a temperatura de gases de escape y temperatura ambiente queda de la siguiente manera (Brizuela & Romano, 2003):
𝑄𝑝𝑒𝑟𝑑𝑖𝑑𝑜 = 𝐻𝑝𝑟𝑜𝑑,𝑇− 𝐻𝑝𝑟𝑜𝑑,298,15 𝐾 = 383.16 [
𝐾𝐽 𝑚𝑜𝑙]
[13]
Es decir, por cada mol de sustancia que se combustiona se pierden 383,24 KJ de energía calorífica, entonces, de acuerdo a la ecuación 4, la eficiencia de la combustión del octano que tiene un poder calorífico inferior de 5074.42 KJ/mol será: 𝑛𝑐 = 92,44%.
Para el cálculo de la eficiencia térmica de un motor a combustión interna es necesario conocer las relaciones de compresión, corte y de presiones del motor en cuestión. Para el presente análisis se tomará valores típicos de dichas relaciones para un motor a gasolina de baja carga, los cuales son: r = 9, rc = 4 y rp = 1.5, (Heywood, 1988).
Se sabe además que el cociente de dilatación adiabática 𝛾 para el aire es igual a 1.4 (Malaver, 2008). Entonces reemplazando dichos valores en la ecuación 6 correspondiente al cálculo de la eficiencia térmica se tiene: 𝑛𝑡=
57.64%.
Para el cálculo de la eficiencia volumétrica de nuestro motor de combustión se procede a hacer las siguientes suposiciones.
La mezcla dentro de la cámara de combustión es estequiometrica es decir la relación en términos de masa aire-combustible es 14,7 a 1. La toma de aire de admisión del motor de combustión normalmente
aspirado está a una presión de 1 atm.
Entonces primordialmente se toma en cuenta las densidades de la gasolina y del aire, las cuales son: 680 Kg/m3 y 1.2254 Kg/m3 respectivamente. De
aquí se puede observar que en un centímetro cúbico están presentes 6,8 x 10-4 Kg de gasolina, dicho valor multiplicado por el de la relación
estequiométrica indica que deben estar presentes 9,996 x 10-3 Kg de aire
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En conclusión, para satisfacer el requerimiento de una mezcla perfectamente estequiométrica por cada cm3 de gasolina debe haber 8167,33 cm3 de aire.
Es decir la relación estequiométrica aire combustible en términos del volumen es de 8167,33 a 1.
Más específicamente, del total de la cámara de combustión el 99,98% se llenará de aire, es decir de los 300 cm3 del motor en cuestión
aproximadamente 299,96 cm3 se llenarán de aire, dando una masa de
alimentación de aire M = 3,6757 x 10-4 Kg. Adicionalmente se sabe que el
valor de Vd es igual al total del cilindraje por tratarse de un motor de un solo cilindro.
Entonces, reemplazando dichos valores en la ecuación 5, la eficiencia volumétrica arroja el siguiente resultado: 𝑛𝑣 = 99,98 %.
24
3.1 COMPARACIÓN DE LOS NIVELES DE EFICIENCIA
ENERGÉTICA ALCANZADOS.
Como se pudo observar en los cálculos previamente realizados, el motor de combustión interna alcanzó un nivel de eficiencia del 53,27%. Se alcanzó este valor de eficiencia principalmente porque, por facilidad de cálculo, se asumió que la mezcla aire-combustible es estequiométrica, también se asumió que no existe presencia de combustible no quemado en la cámara de combustión luego de la misma y porque la energía calorífica perdida durante la combustión únicamente corresponde a la entalpia de formación de los compuestos presentes en los gases de escape, más no al calor generado sobre los elementos mecánicos sujetos a rozamiento y desgaste. De esta manera se puede deducir que el cálculo de eficiencia del motor de combustión interna en el presente documento se lo realizó de forma ideal y que para una consideración más detallada el nivel de eficiencia disminuiría considerablemente.
Por otro lado, la eficiencia del motor eléctrico con el que se pretende reemplazar al motor de combustión interna la da el fabricante y alcanza un nivel de 86.8% (Weg, 2016), lo cual indica que desde el punto de vista de la eficiencia energética es considerable el beneficio que ofrece el reemplazo del motor de combustión interna por un motor eléctrico que cumpla con las mismas prestaciones de potencia y par necesarios para el funcionamiento de la planta desalinizadora.
3.2 RECONOCIMIENTO DE LOS IMPACTOS AMBIENTALES
MITIGADOS LUEGO DEL REEMPLAZO
Impactos producidos por emisiones.
Es de conocimiento público que nuestro planeta acumula emisiones de carbono que en los últimos años han crecido vertiginosamente por el crecimiento poblacional y productivo. Estudios demuestran que un 80% de emisiones de CO2 (dióxido de carbono) y NOx (óxidos nítricos), pertenecen a
la actividad humana relacionada a los motores de combustión interna utilizados para diferentes aplicaciones, de los cuales un 17% pertenecen al sector industrial y un 83% al sector transporte. Dichos gases son los responsables de que la radiación UV quede atrapada en nuestra atmósfera provocando inevitablemente el efecto invernadero (Rodríguez Jiménez, 2008).
Como se pudo observar en el presente documento, la combustión generada por el motor a gasolina utilizado produce principalmente CO2, H2O (en estado
gaseoso) y N2. Gases que por una mayor facilidad de análisis se
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existen componentes que se presentan en condiciones no ideales y de una manera menos significativa pero no menos importante, que se deben tomar en cuenta al momento de analizar los impactos ambientales que este elemento provoca. Se sabe que la combustión también produce CO (monóxido de carbono), NOx (óxidos nítricos) y producto de una combustión
incompleta HC (hidrocarburos).
Con el reemplazo de este sistema por un medio de locomoción eléctrico no solo se hace un adecuado aprovechamiento de la energía suministrada al sistema gracias al superior índice de eficiencia alcanzado, sino que se evitaría emitir más gases que provoquen el indeseable efecto invernadero reduciendo así la huella de carbono generada por las emisiones del sector industrial principalmente.
Emisiones de ruido
Debido a la cantidad de componentes internos que conforman la arquitectura de un motor de combustión interna es evidente que el nivel de ruido sea mayor al de un motor eléctrico. Dicho ruido se origina por la admisión de aire necesaria para la combustión, la deformación microscópica de la cámara de combustión durante la fase de compresión y expansión, la explosión de la mezcla aire-combustible, el choque del mecanismo biela-manivela, etc. Sin todos estos mecanismos presentes en el motor eléctrico es notable el beneficio que se puede obtener con el reemplazo planteado. Con emisiones más bajas de ruido la contaminación acústica generada disminuirá considerablemente, factor importante en situaciones donde la desalinizadora funcione cerca de personas que se beneficien del producto de su funcionamiento.
Otros tipos de contaminaciones.
Sin sistemas puramente mecánicos en su interior, ni desprendimiento de hollín e impurezas producto del rozamiento, el motor eléctrico no precisa de un lubricante que necesite cambios constantes, sin estos cambios se disminuirán las grandes cantidades de desperdicio generado. Esto es considerablemente una ventaja tanto ecológica como económicamente, debido al difícil tratamiento y disposición final del lubricante y los gastos que suponen dichos reemplazos.
3.3 RESULTADOS DE LA SIMULACIÓN
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Figura 9: Parámetros de funcionamiento del motor simulados.
En el primer canal de la gráfica, se puede observar el voltaje línea-línea, esta es una señal cuadrada producto de la inversión que se lleva a cabo en el puente de transistores IGBT conmutados. Esta señal tiene una frecuencia de 50 Hz y un valor pico de 400 V, el cual permite al motor operar con normalidad.
Dentro de los tres próximos canales analizados, se pueden observar tres períodos de tiempo claramente marcados. De 0 a 0,1 segundos se puede observar el período de arranque del motor. De 0,1 a 0,5 el motor entra en un estado de operación al vacío, es decir sin carga. Finalmente de 0,5 segundos en adelante pasa al estado de operación nominal donde se aplican los 28 Nm de carga al motor.
En el segundo canal, correspondiente a la corriente de estator, se puede verificar que durante el período de arranque la corriente alcanza valores pico de hasta 50 A. En la fase de operación al vacío, debido a la falta de carga que aporten con resistencia mecánica, la corriente alcanza escasos 5 A. de T(s)
T(s)
T(s)
27
corriente pico. Finalmente en la fase de operación nominal la corriente tiene un valor pico de 28 A.
En el tercer canal, donde se muestra la velocidad angular del eje del motor, se puede constatar que durante el período de arranque la velocidad angular aumenta periódicamente hasta alcanzar las 1527,89 rpm, velocidad con la cual se estabiliza durante toda la fase de operación al vacío. Por último, al aplicar la carga, la velocidad se reduce para que a los 0,97 segundos se estabilice en 954,93 rpm.
Finalmente en el canal donde se evalúa el comportamiento del torque electromagnético, durante la fase de arranque, se observa un valor máximo de 50 Nm. Este valor disminuye a medida que el mecanismo logra vencer la inercia de los componentes ya que durante la etapa de operación al vacío el torque electromagnético se acerca a valores de cero. Finalmente, una vez aplicada la carga, este valor se estabiliza en los 28 Nm que se establecieron al inicio.
Un análisis adicional que se realiza para verificar la implementación del motor eléctrico en la desalinizadora de ósmosis inversa, es el análisis de la distorsión armónica total THD. Esta evaluación se realiza con la finalidad de verificar la calidad energética del sistema.
Según la guía de usuario del variador de frecuencia CFW11, esta serie de variadores cuentan con filtros de disipación de reactivos a la red, lo que permite que dichos sistemas cumplan con la norma IEC 61000-3-12 referente a armónicos de bajo orden de corriente en la red (Grupo Weg, CFW11 - System Drive, 2015). La cual establece un valor máximo de THD del 48%.
Figura 10: Análisis armónico de la corriente fundamental de estator.
Ia
(
A
28
Las gráficas mostradas anteriormente pertenecen a la ventana FFT analysis Tool del entorno de simulación de Simulink. La gráfica superior muestra la señal ampliada desde el tiempo de estabilización, mientras que la gráfica inferior muestra la relación de las componentes armónicas de la señal con respecto a la señal fundamental. Es importante reconocer que esta herramienta permite verificar la THD, haciendo el cálculo de la ecuación 7 internamente y presentando su resultado directamente.
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CONCLUSIONES
Para realizar el reemplazo de sistemas motrices es importante verificar las condiciones reales de funcionamiento del sistema que se desea reemplazar, ya que de esta manera se evitan sobredimensionamientos que generen desperdicio de energía en el sistema.
Con el reemplazo planteado, se logra generar agua dulce y limpia, lista para el consumo humano, sin embargo, gracias a las conexiones necesarias del sistema trifásico, la portabilidad del sistema se ve afectada ya que se debe establecer una zona específica confinada para la desalinización del agua.
Introducir máquinas que reemplacen a aquellas cuyo medio de alimentación son los combustibles fósiles, constituye un paso importante en la generación de sistemas que utilicen fuentes más limpias de energía. De esta manera el sector industrial podría disminuir considerablemente las emisiones de carbono, causantes del indeseable efecto invernadero que afecta al planeta.
La implementación del reemplazo planteado permite un mejor aprovechamiento de la energía suministrada al sistema. Dicha aseveración se evidencia a partir de los índices de eficiencia energética de los elementos de locomoción, los cuales fueron de 53,27% para el motor de combustión interna y 86,6% para el motor eléctrico. Minimizando el desperdicio de energía y los impactos ambientales generados por la quema de combustibles fósiles.
Mediante la simulación parametrizada se puede evidenciar que el sistema presenta una distorsión armónica total del 42,51%, de esta manera se comprueba que la planta cumple con la norma internacional IEC 61000-3-12 referente a armónicos de bajo orden de corriente en la red, la cual establece una THD máxima del 48%, por lo cual el sistema cumple con los requerimientos referentes a la calidad energética.
RECOMENDACIONES
Cuando se realiza el estudio de la introducción de cargas no lineales para una aplicación específica, es importante revisar la normativa que regula la introducción de energía reactiva a la red eléctrica, con el objetivo de verificar que el sistema a implementar cumple con especificaciones y normativas pertinentes. También es importante dotarse de los instrumentos encargados de estas mediciones para hacer estudios en campo que ratifiquen los resultados del estudio. Para realizar una simulación de un sistema de una manera adecuada,
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36
Anexo 1
Características de funcionamiento del motor Weg W22 Carcasa
de Hierro Gris - Premium Efficiency - IE3 de 6 polos
Características
Carcasa 132M
Potencia 4 kW
Frecuencia 50 Hz
Polos 6
Rotación nominal 960 rpm
Deslizamiento 4 %
Voltaje nominal 220/440 V
Corriente nominal 16,3/8,17 A
Corriente de arranque 106/53,1 A
Ip / In 6,5
Corriente en vacío 9,27/4,64 A
Par nominal 39,8 Nm
Par de arranque 220%
Par máximo 250%
Categoría ---
Clase de aislación F
Elevación de temperatura 80 K
Tiempo de rotor bloqueado 30 s (caliente)
Factor de servicio 1,00
Régimen de servicio S1
Temperatura ambiente -20 °C - +40 °C
Altitud 1000 m
Protección IPW55
Masa aproximada 74 Kg
Momento de inercia 0,05661 kgm2
Nivel de ruido. 53 dB(A)
