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Centro de Estudios de Energía M ódulo 5 Uso eficiente de motores eléctricos Método correcto de cálculo de ahorros de energía para justificar controladores de frecuencia variable en motores de bombas centrífugas •Ron Carlson, “The correct method of calculating energy savings to justify adjustable-frequency drives on pumps,” IEEE Transactions on Industry Applications, Vol. 36, No. 6, November / December 2000 •Igor J. Karassik, Keneth J. Macnaughton, “Bombas, selección, uso y mantenimiento,” McGraw-Hill, 1987, ISBN: 968-422-036-7
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Centro de Estudios de Energía Módulo 5 Uso eficiente de motores eléctricos
Método correcto de cálculo de ahorros de energía para justificar controladores
de frecuencia variable en motores de bombas centrífugas
•Ron Carlson, “The correct method of calculating energy savings to justify adjustable-frequency drives on pumps,” IEEE Transactions on Industry Applications, Vol. 36, No. 6, November / December 2000•Igor J. Karassik, Keneth J. Macnaughton, “Bombas, selección, uso y mantenimiento,” McGraw-Hill, 1987, ISBN: 968-422-036-7
Centro de Estudios de Energía Módulo 5 Uso eficiente de motores eléctricos
Nomenclatura:Nomenclatura:
• Carga de la bomba: H, [ft] • Flujo volumétrico: Q, [m^3/hr]• Gravedad específica: ge, [-] • Velocidad de la bomba: N, [rpm]• Potencia hidráulica: hhp, [hp]• Potencia al freno: bhp, [hp]
Nombre de la Variable Nombre de la Variable Simbolo Simbolo UnidadesUnidades
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INTRODUCCIÓN
• Los AFD ayudan a reducir el consumo de energíaeléctrica
• Es necesario determinar con exactitud los ahorrospara justificar la instalación de un AFD.
• Los ahorros dependen de las características del sistema.
• Las fórmulas para describir las características de un sistema son fácilmente mal aplicadas
• El modelar los sistemas ayuda a mejorar los cálculosy los análisis evitando errores
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0500
1000150020002500300035004000450050005500
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 5500 6000 6500
Flujo (gpm)
H (f
t) ,
BHP
(hp)
0.00
0.100.20
0.300.40
0.500.60
0.700.80
0.90
Efic
ienc
ia (%
)
P1-bomba P-sistema Potencia Eficiencia
Curva Característica de la BombaCurva Característica de la Bombay del Sistemay del Sistema
hpdhphp QcaBHP +=
2QcaH SSS +=
2QcaH ppP +=
BHPgeHQ
Eff p
×××
=3960
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¿Dónde se consume la energía en un sistema?¿Dónde se consume la energía en un sistema?
En el ajuste de la presión de la bomba a los requerimientos del sistema mediante:
A. Caída directa de la presión (Estrangulación)
B. Aumento del flujo en la bomba (Recirculación)
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A. Estrangulación de PresiónA. Estrangulación de Presión
Válvula para estrangular la salidaVálvula para estrangular la salida
Válvula
Medidor de Presión
Caída de Presión
A. Estrangulación de PresiónA. Estrangulación de Presión
Bomba
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Control por válvula de Control por válvula de contrapresión = Tirar exceso de contrapresión = Tirar exceso de
presiónpresión
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000
flujo (gpm)
Car
ga (f
t)
0.00
0.15
0.30
0.45
0.60
0.75
0.90
Efic
ienc
iaHp Hs BHP Exceso H Eff
( )3960
SGHHQhhp Sp ×−×
=
Effhhpbhp =
motorEffbhphp
motor al entrada =
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B. Recirculación de FlujoB. Recirculación de Flujo
Medidor de Presión
Medidor de Flujo
Recirculaciónde flujo
Bomba
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0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
0 2000 4000 6000 8000
flujo (gpm)
Car
ga (f
t)
0.000.100.200.300.400.500.600.700.800.90
Hp Hs BHP Exceso de flujo Eff
Control por recirculación = Tirar Control por recirculación = Tirar exceso de flujoexceso de flujo
( )3960
SGQQHhhp Sp ×−×
=
Effhhpbhp =
motorEffbhphp
motor al entrada =
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Las curvas características de sistema y de la bombason diferentes
El “punto natural de operación” es el punto deintersección de estas dos curvas.
Condiciones de operación fuera de este punto “gastan” exceso de presión o exceso de flujo.
Los métodos mecánicos de ajuste de curvas consumen energía en exceso.
¿Cómo ahorran energía los AFD?¿Cómo ahorran energía los AFD?
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Lograr la intersección de las curvas en cualquierotra condición de operación elimina la pérdida deenergía de la sobrepresión.
La intersección se logra variando la velocidaddel impulsor de la bomba a través de un AFD.
¿Cómo ahorran energía los AFD?¿Cómo ahorran energía los AFD?
Para una condición de flujo requerido es necesario determinar: La nueva velocidad, N
La nueva potencia, bhp
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“Leyes de Afinidad”
Gobiernan las relaciones entre velocidad,presión de descarga y potencia de entradade la bomba y permiten predecir el rendimiento de una bomba a una velocidad que no seala característica.
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“Leyes de Afinidad”
2
1
2
1
NN
QQ =
Flujo-Velocidad
2
2
1
2
1
=NN
HH
Presión-Velocidad
Potencia-Velocidad3
2
1
2
1
=NN
BHPBHP
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Error en los cálculos alutilizar leyes de afinidad
Para determinar los ahorros en electricidad,usando un control de velocidad, con AFD, sedeben determinar los bhp a velocidad fija ya velocidad ajustable.
El error más común que se comente en el caso de velocidad ajustable es el hacer uso inadecuado de las leyes de afinidad.
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0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000
Flujo (gpm)
Pre
sión
(ft),
bhp
(hp)
0.00
0.15
0.30
0.45
0.60
0.75
0.90
Efic
ienc
ia
Hp Hs Curva de afinidad BHP Eficiencia
Uso incorrecto de las leyes de afinidad
( )ft 3282 gpm, 4000
( )ft 1054 gpm, 1000
( )bhp 4025 gpm, 4000
( )ft 205 gpm, 1000
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Ejemplo: Forma errónea
Determinar el ahorro en potencia al usar un AFD para controlar una bomba que da 3282 ft de carga a un flujo de 4000 gpm y requiere 4025 hp, y en la nueva condición trabajará con 1000 gpm
A un Q=1000 gpm, la bomba requiere 2506 bhp y el sistema requiere 1054 ft de carga de presión,
Usando leyes de afinidad2 2
22 1
1
3 32
2 11
10003282 2054000
10004025 634000
QH H ftQ
QBHP BHP hpQ
= = =
= = =
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Los valores de Q=1000 gpm y H=205 ft no interceptan la curva delsistema por lo tanto la potencia consumida de 63 bhp no es correcta(Ver figura: Uso incorrecto de las leyes de afinidad)
En forma errónea se utilizan las leyes de afinidad al considerar unacaracterística de operación de la bomba como los valores iniciales y realizar las operaciones con las ecuaciones de afinidad sin tomar encuenta que la curva de afinidad construida así, no intercepta la curvade requerimientos del sistema en el flujo deseado.
Ejemplo: Forma errónea
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Forma correcta de usar las Leyes de Afinidad
1. Se debe dibujar una curva de afinidad queintersecte la curva del sistema en la condiciónfinal de flujo.
2. Donde la curva de afinidad intersecte la curva de carga de la bomba se tomará como la condición inicial.
3. Determinando el flujo inicial, la curva de potenciade la bomba dará la potencia inicial.
4. Con la potencia inicial, flujo inicial y flujo finalse determinará la potencia final.
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Uso Correcto de las leyes de afinidad
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
0 500 1000 1500 2000 2500
flujo (gpm)
Car
ga (f
t), B
HP
Hp Presión-sistema curva de afinidad . BHP
22
222
2
10001054
QQQH
H ==
( )ft 1054 gpm, 1000
Q2= 1000H2= 1053.80
Q1= 1908.053H1= 3836.53
BHP1= 2965.95
BHP2= 426.9655
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Determinar el ahorro en potencia al usar un AFD para controlar una bomba que da 3283 ft de presión a un flujo de 4000 gpm, y trabajará con 1000 gpm
Ejemplo: Forma correcta
La forma correcta de hacer el cálculo es:Tomar Q=1000 gpm y H=1054 ft (el valor de la presión del sistemaen esa condición de flujo), como punto de intersección de la curvade afinidad con la curva del sistema.
Construir la curva de afinidad, curva parabólica con centro en elorigen y que cortará a la curva característica de la bomba en algún punto (H=3837 ft) y que corresponderá al flujo Q=1908 gpmy con la curva de potencia en 2966 bhp.
Tomar el valor de BHP=2966 bhp y Q=1908 gpm encontrados comolas condiciones iniciales para calcular la potencia bhp a la condiciónde flujo de Q=1000 hp
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3 32
2 11
10002906 4271908
QBHP BHP hpQ = = =
Ahorro Ficticio= 2506 bhp - 63 bhp = 1443 bhpAhorro real = 2506 bhp - 427 bhp=1079 bhp
Ahorro sobrestimado = 364 bhpAhorro sobrestimado = 364 bhp
Ejemplo: Forma correcta
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* *3960*H Q geBHP
η
=
Potencia al Freno
Donde:H - Carga de presión (ft)Q - Flujo (gal/min)ge - Gravedad específica (-)BHP- Potencia al freno (hp)ηηηη - Eficiencia de la bomba (%)
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Control por frecuencia variableControl por frecuencia variable
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000
flujo (gpm)
Car
ga (f
t), B
HP
0.00
0.15
0.30
0.45
0.60
0.75
0.90
Hp Hs BHP Hp' BHP' hp Eff' Eff
