En este post te contamos brevemente como optimizar el bombeo de un sistema de refrigeración o de aporte de calor en la industria.
ÍNDICE
1. Introducción 2. Antecedentes 3. Regulación del sistema 4. La influencia de los perfiles de carga sobre el consumo de energía 5. Conclusión y descarga el Whitepaper
1. Introducción El funcionamiento de las bombas desempeña un importante papel para que el proceso funcione de forma óptima con el máximo rendimiento y el mínimo coste de producción. Esto es así tanto para el consumo de energía por componente producido, prolongando la vida útil de las herramientas si la bomba se utiliza en una máquina de moldeo u otra similar, como para garantizar una producción rápida. El objetivo es presentar varias formas de utilizar una bomba en un intercambiador de calor simple, pero con una enorme diferencia de consumo de energía, uso de componentes, etc. Además te explicaremos las ventajas que presenta el uso de bombas con convertidores de frecuencia integrados (motores MGE).
2. Antecedentes Las unidades refrigeradoras son solo un ejemplo de las numerosas aplicaciones de control de temperatura cuando el diseño y la construcción correctos del sistema resultan son importantes para garantizar la temperatura adecuada del proceso. Las bombas que se emplean en esta operación suelen ser compactas porque van integradas en armarios o montadas sobre patines siempre que el espacio es limitado. Estas exigencias necesitan una configuración avanzada de las bombas capaz de adaptarse de forma rápida y precisa a las exigencias cambiantes y, a su vez, debe hacerse de manera que resulte energéticamente eficiente. Por tanto, es importante mirar más allá de la bomba y tener presente todo el sistema o la unidad desde el principio del proceso de diseño.
3. Eficiencia total En lo que a eficiencia se refiere, es importante fijarse en la “eficiencia total” ya que de nada servirá comprar la bomba y el motor perfectos si funcionan contra una válvula semicerrada o si el sistema presenta fallos fundamentales de diseño. Es importante fijarse desde el principio en las posibilidades existentes: ¿es posible aplicar el método de regulación más económico y seguir obteniendo la precisión que necesitamos? También es importante la estrategia de control correcta, especialmente cuando tenemos en cuenta el perfil de carga del sistema.
4. Regulación del sistema El diagrama que se muestra a continuación presenta tres ejemplos, todos ellos con el mismo requisito del sistema: una temperatura específica de un intercambiador de calor. No obstante, el modo de conseguir el objetivo es muy distinto. Aplicar un enfoque convencional (ej. S) o basarnos en bombas electrónicas (ej. E, eficiencia) o el enfoque más inteligente (ej. I).
S: El primer sistema funciona a velocidad constante (fig. 1): es decir, la bomba gira a velocidad constante. Medimos la temperatura en el punto de descarga del intercambiador de calor, que alimenta una válvula de regulación, y esta regula la temperatura reduciendo el caudal que pasa por el intercambiador de calor. El resultado para la bomba será que desliza hacia arriba y hacia abajo la curva de la bomba. (La curva roja de la bomba de la fig. 4.) Figura 1: Válvula de regulación, velocidad máxima
E: El segundo sistema (fig. 2) es muy común en muchos sistemas. Aquí tenemos una bomba que se regula a una temperatura diferencial constante, es decir, mantiene una presión diferencial constante entre la descarga de la bomba y el retorno del intercambiador de calor. Pero, de nuevo, la temperatura de salida del intercambiador de calor se controla igual que en la configuración 1, donde tenemos una válvula de regulación controlada por temperatura que limita el caudal para poder tener una temperatura constante. El resultado para la bomba será que mantiene una presión constante, una curva horizontal en el gráfico Q/h. (La curva amarilla de la bomba de la fig. 4.) Figura 2: Presión diferencial constante
I: El tercer sistema : la forma “Inteligente” de hacer las cosas (fig. 3). Medimos la temperatura y la suministramos directamente al motor E (un motor con convertidor de frecuencia integrado). Además, utilizamos el regulador PI del motor E para mantener un caudal, que se corresponde con la temperatura deseada del intercambiador de calor. Ya no necesitamos la válvula de regulación y, por tanto, eliminamos la pérdida de presión continua que genera. El resultado para la bomba será que sigue una curva muy similar a la presión proporcional. (La curva verde de la bomba de la fig. 4.) Figura 3: Retroalimentación controlada por temperatura
En el diagrama de curvas de la figura 4 podemos ver una comparativa de los tres sistemas en el que aparecen diferentes curvas de carga. N.B. El motivo por el que el sistema I (control directo de temperatura) muestra un caudal plano con cargas bajas es porque queremos mantener un caudal pequeño en el sistema para suministrar la información obtenida al transmisor de temperatura. Cuando se dispone de un sistema de calefacción y refrigeración, no es posible apagar las bombas por completo; debe haber un caudal mínimo para tener algo que poder medir. Estas tres curvas diferentes se relacionan con cada sistema. Recuerde: los tres sistemas realizan el mismo trabajo: suministrar una temperatura constante fuera del intercambiador de calor.
Figura 4: En sistemas en los que el punto de trabajo es constante, las tres estrategias funcionan igual de bien, pero cuando se reduce la carga, el control directo de temperatura ofrece una eficiencia óptima y un ahorro de energía.
Si observamos el consumo de energía de cada sistema, podemos ver el consumo de energía para la curva de carga a velocidad máxima, la curva de carga diferencial a presión constante y la curva de carga con temperatura directa. Si observamos cada sistema funcionando a un tercio de su carga, podemos ver que existe una enorme diferencia en el consumo de energía, que puede relacionarse directamente con el ahorro energético. Por otro lado, hay pocas diferencias entre los sistemas cuando funcionan a plena capacidad de caudal, ya que el método de regulación elegido ya no desempeña ninguna función. No obstante, resulta necesario asegurarse de que la bomba haya sido dimensionada correctamente para la tarea.
4. La influencia de los perfiles de carga sobre el consumo de energía Por tanto, resulta evidente la importancia que tiene considerar el perfil de carga a la hora de elegir una configuración. Los tres ejemplos de perfiles de carga de la figura 5 presentan ahorros importantes con la configuración diferencial constante frente al sistema de válvulas reguladas. No obstante, el control directo de temperatura es, con diferencia, la opción energéticamente más eficiente. Como es un hecho que la mayoría de las bombas de refrigeración están sobredimensionadas y el perfil de carga C es el más común, la solución de control de temperatura presenta una enorme ventaja. La figura 5 muestra cómo la configuración de control de temperatura genera un ahorra de energía del 72 % en el escenario de este ejemplo.
Figura 5: Tres perfiles de carga de muestra (A, B y C) y los porcentajes de ahorro energético utilizando las opciones alternativas de presión diferencial constante y control de temperatura. El perfil de carga A tiene una demanda aleatoria de caudal del sistema, por lo que la bomba suministra caudales a lo largo toda la curva de la bomba. El perfil de carga B es un proceso estable con la misma demanda de caudal durante la mayor parte del tiempo; la bomba puede dimensionarse para que funcione en su punto de mayor eficiencia la mayor parte del tiempo. El perfil de carga C suele ser la situación más común, la bomba está sobredimensionada y funciona con un caudal mucho menor que para el que está diseñada realmente. Esto se traduce en poca eficiencia del motor y la bomba durante la mayor parte de tiempo de funcionamiento.
6. Conclusión Tal y como se ha descrito en este documento técnico, existes distintas formas de obtener la temperatura necesaria del intercambiador de calor.
En resumen, hay cinco factores que deben tenerse en consideración:
- La eficiencia de la bomba y el motor.
- El modo de regulación.
- El dimensionamiento del sistema.
- El perfil de carga.
- Las pérdidas del sistema.
Aquí es donde intervienen las
soluciones inteligentes Grundfos iSOLUTIONS . El enfoque va más allá de la bomba para optimizar todo el sistema de bombeo. Grundfos se ocupa de identificar las necesidades de los clientes y le ayuda a evitar situaciones que podrían resultar poco rentables a largo plazo; por ejemplo, instalando el modo de regulación de bombas más inteligente y eficiente en una aplicación industrial de refrigeración. Además, el uso de iSOLUTIONS presenta otras ventajas. Puede obtener muchas más posibilidades de supervisión, no solo del rendimiento de las bombas, sino también de todo el sistema y podrá reaccionar más deprisa en caso de que, por ejemplo, haya que regular el punto de consigna.
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