AHORRO ENERGÉTICO EN ACCIONAMIENTOS DE VELOCIDAD VARIABLE

Capítulo 3. Ahorro energético en instalaciones de ventilación. 3.1. Fundamentos sobre instalaciones de ventilación. En este apartado se expondrán y explicarán los fundamentos básicos sobre instalaciones de ventilación necesarios para la comprensión de los diferentes puntos que se abordarán en el presente texto. 3.1.1. Curva característica gasto – presión de un ventilador. La curva característica gasto – presión de un ventilador representa los diferentes puntos en los que el ventilador puede funcionar para una determinada velocidad de funcionamiento. Los puntos vienen definidos en la misma por una abscisa que define el gasto que el mismo puede desplazar y una ordenada que define la presión que el mismo puede proporcionar al fluido. En la curva (figura 3.1) se puede observar que todos los puntos de funcionamiento no están permitidos, ya que el ventilador no podría funcionar en el punto P1 proporcionando una presión al fluido p1 y un gasto Q1. La curva característica gasto – presión nos da la relación entre el gasto que un ventilador puede desplazar Q2 y la presión que puede proporcionar al fluido p2 en un punto P2, que en este caso está sobre la curva y es permisible. 3.1.2. Variación de la curva gasto – presión de un ventilador al variar la velocidad de funcionamiento del mismo. La variación de la característica gasto presión de un ventilador al variar su velocidad sigue la Ley de Semejanza de las Máquinas Hidráulicas aplicadas a ventiladores. Esta ley proporciona unas ecuaciones que relacionan los puntos de la característica gasto – presión a una velocidad de giro ω1 con los puntos de dicha característica a una velocidad de giro ω2 . Estos puntos

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AHORRO ENERGÉTICO EN ACCIONAMIENTOS DE VELOCIDAD VARIABLE

relacionados para diferentes velocidades de funcionamiento del ventilador son llamados puntos homólogos y tienen el mismo rendimiento (3.1) y (3.2).

Figura 3.1. Curva característica gasto - presión de un ventilador.

p1 ω12

=

p2 ω 22

Q1 Q 2 = ω1 ω 2

(3.1)

(3.2)

donde: p1 = Presión de un punto P1 en la curva del ventilador para velocidad ω1, Pa o in-water. Q1 = Gasto de un punto P1 en la curva del ventilador para velocidad ω1, m3/s o cfm. p2 = Presión de un punto P2 en la curva del ventilador para velocidad ω2, Pa o in-water.

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Q2 = Gasto de un punto P2 en la curva del ventilador para velocidad ω2, m3/s o cfm. ω1 = Velocidad de funcionamiento 1, rpm. ω2 = Velocidad de funcionamiento 2, rpm. Para obtener el lugar geométrico de los puntos homólogos (en este caso P1 y P2 son dos puntos homólogos) al variar la velocidad de funcionamiento (figura 3.2), basta con eliminar de (3.1) y (3.2) las velocidades (3.3).

ω1 Q 1 p ω 2 Q2 p = ⇒ 1 = 12 = 12 ⇒ p 2 = 12 ⋅ Q 22 ⇒ p 2 = K ⋅ Q 22 ω2 Q 2 p 2 ω 2 Q2 Q1

(3.3)

Figura 3.2. Curva de iso-rendimiento y puntos homólogos (mismo rendimiento) para dos velocidades de funcionamiento.

3.1.3. Curva característica de un sistema. Todo sistema tiene una curva característica gasto – presión que depende de la morfología del mismo (número, morfología de los conductos y compuertas existentes, etc.). Dicha curva representa la presión que debe

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suministrar un ventilador a un fluido para que circule un determinado gasto del mismo por el sistema. Tomando las ecuaciones de mecánica de fluidos simplificadas las pérdidas en un sistema son cuadráticas con el gasto, por lo que la curva del sistema tiene carácter parabólico (figura 3.3).

Figura 3.3. Curva del sistema.

Cuando se utiliza un ventilador, con su determinada característica gasto – presión, para desplazar un determinado fluido en un sistema, con su determinada característica gasto – presión, el punto de funcionamiento del ventilador se obtendrá como el cruce de las dos curvas características, la del ventilador y la del sistema (figura 3.4).

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Figura 3.4. Punto de funcionamiento del ventilador.

3.1.4. Curva gasto – rendimiento de un ventilador. El rendimiento al que trabaja un ventilador depende del punto en el que esté funcionando el mismo, es decir, depende de la presión que esté suministrando al fluido y del gasto de fluido que esté desplazando (figura 3.5). En principio sería imposible representar una curva gasto – rendimiento ya que el rendimiento depende de dos variables (Q y p) y no sólo del gasto. Pero al estar estas dos variables, gasto y presión, relacionadas en un ventilador por medio de su curva característica gasto – presión para una determinada velocidad de funcionamiento, se puede construir una curva gasto – rendimiento (figura 3.6) y (3.4).

η = f1 (Q , p )  → η = f 3 (Q ) p = f2 (Q ) 

(3.4)

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Figura 3.5. Curvas de rendimiento de un ventilador.

Figura 3.6. Curva gasto - rendimiento de un ventilador.

Por lo tanto, la curva gasto – rendimiento de un ventilador representa el rendimiento al que trabaja el mismo para un determinado gasto de funcionamiento, ya que la presión de funcionamiento para dicho gasto

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AHORRO ENERGÉTICO EN ACCIONAMIENTOS DE VELOCIDAD VARIABLE

viene fijada por la curva característica gasto – presión del mismo. Destacar de nuevo que la curva gasto – rendimiento de un ventilador varía al variar la velocidad de funcionamiento del mismo. 3.1.5. Variación de la curva gasto – rendimiento de un ventilador al variar la velocidad de funcionamiento del mismo. Si se conoce la curva gasto – rendimiento de un ventilador para una determinada velocidad de funcionamiento ω1 y se desea conocer dicha curva característica para una velocidad de funcionamiento ω 2 , se puede obtener mediante la Ley de Semejanza de las Máquinas Hidráulicas aplicadas a ventiladores. Se toma un punto de la curva característica gasto – presión del ventilador P1 a una velocidad ω1 . Dicho punto viene definido por un gasto Q1 y una presión p1. Conociendo el gasto Q1 se puede conocer el rendimiento de dicho punto η1 mediante la curva característica gasto – rendimiento del ventilador a velocidad ω1 . Conocido un punto R1 en la curva de rendimiento a velocidad ω1 , definido por un gasto Q1 y un rendimiento η1 , se podrá conocer donde se desplazará dicho punto de la curva cuando la velocidad del mismo cambie de ω1 a ω 2 . En primer lugar, se debe encontrar el punto homólogo (de mismo rendimiento) al punto P1 en la curva gasto – presión del ventilador a velocidad ω 2 . Dicho punto P2 definido por un gasto Q2 y una presión p2 puede ser obtenido mediante las ecuaciones de Semejanza de las Máquinas Hidráulicas aplicadas a ventiladores (3.1) y (3.2). Una vez obtenido el punto P2, con el gasto Q2 y el rendimiento η1 se tiene definido el punto R2, ya que se cumple que η2 = η1 . El punto R2 forma parte de la nueva curva gasto – rendimiento del ventilador a velocidad ω 2 . Realizando este procedimiento con tantos puntos como se desee, se puede

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AHORRO ENERGÉTICO EN ACCIONAMIENTOS DE VELOCIDAD VARIABLE

trazar la nueva curva gasto – rendimiento de un ventilador funcionando a velocidad ω 2 a partir de dicha curva a velocidad ω1 . 3.2. Métodos de regulación de gasto en instalaciones de ventilación. 3.2.1. Regulación de gasto mediante dampers. Este método de regulación consiste en colocar unos dampers (compuertas para la ventilación) a la salida del ventilador (figura 3.7). Mediante dichos dampers se pueden variar las pérdidas de carga del sistema alterando la característica gasto – presión del mismo introduciendo una presión p adicional. Ajustando la misma se puede obtener un cruce con la característica del ventilador en un punto de funcionamiento gasto – presión deseado.

Figura 3.7. Colocación de dampers para regulación del gasto.

En este método se puede observar que la característica gasto – presión del ventilador permanece inalterada mientras que la característica gasto – presión del sistema varía. La velocidad de funcionamiento del ventilador no varía por lo que funciona a velocidad nominal. Por lo tanto, los puntos de funcionamiento para diferentes gastos deseados se van desplazando por la curva gasto – presión del ventilador (figura 3.8).

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AHORRO ENERGÉTICO EN ACCIONAMIENTOS DE VELOCIDAD VARIABLE

Figura 3.8. Desplazamiento de los puntos de funcionamiento al actuar sobre los dampers.

Este método de regulación de gasto es sencillo de implementar y requiere poco

mantenimiento.

A

pesar

de

dichas

ventajas

en

cuanto

a

implementación y mantenimiento, tiene un gran inconveniente, al producirse grandes pérdidas de carga en los dampers que se traducen en unas pérdidas elevadas de energía en el sistema de ventilación. 3.2.2. Regulación de gasto mediante recirculación del gasto desplazado. Este método de regulación consiste en recircular una fracción del flujo desplazado por el ventilador para adecuar el gasto no recirculado a las necesidades del proceso (figura 3.9). Este método es sencillo de implementar y de fácil mantenimiento pero su mayor inconveniente es que el ventilador desplaza un gasto superior al utilizado en el proceso, por lo que el gasto desplazado sobrante, al recircularse, se traduce en pérdidas en el sistema de ventilación. Se

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AHORRO ENERGÉTICO EN ACCIONAMIENTOS DE VELOCIDAD VARIABLE

observa que la energía consumida por el ventilador para desplazar el gasto sobrante se desaprovecha en términos de eficiencia.

Figura 3.9. Colocación de un conducto de recirculación para regulación del gasto.

El ventilador siempre funciona a gasto y velocidad nominal, por lo que la característica gasto – presión del mismo permanece inalterada. En este método de regulación de gasto la característica del sistema tampoco varía ya que las pérdidas de carga y la configuración del mismo no varían (figura 3.10). El ventilador funciona en el punto nominal P1 desplazando un gasto Q1 y suministrando una presión p1, para regular el gasto que recibe el sistema a Q2 se recircula un gasto desplazado q = Q3 - Q2, desplazando el ventilador un gasto Q3 y suministrando una presión p2. 3.2.3. Regulación de gasto mediante accionamiento mecánico o hidráulico. Este método de recirculación consiste en interponer entre el motor y el ventilador del sistema un variador de velocidad mecánico o hidráulico. Estos dispositivos de transmisión permiten obtener una velocidad de salida deseada ante una velocidad de entrada (figura 3.11).

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AHORRO ENERGÉTICO EN ACCIONAMIENTOS DE VELOCIDAD VARIABLE

Figura 3.10. Estrategia de regulación de gasto mediante la recirculación del gasto desplazado.

Figura 3.11. Diagrama de funcionamiento de un accionamiento hidráulico o mecánico.

La

estrategia

de

regulación

consiste

en

mantener

el

motor

en

funcionamiento a velocidad nominal, para obtener la velocidad deseada a la salida del accionamiento. Dicha velocidad deseada será a la que gire el ventilador. Variando la velocidad de funcionamiento del ventilador se puede variar la característica gasto – presión del mismo, con dicha variación se pueden obtener cruces con la característica del sistema, que permanece inalterada,

en un punto de funcionamiento gasto – presión

deseado (figura 3.12).

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AHORRO ENERGÉTICO EN ACCIONAMIENTOS DE VELOCIDAD VARIABLE

Figura 3.12. Desplazamiento de los puntos de funcionamiento al variar la velocidad del ventilador mediante accionamiento mecánico o hidráulico.

La variación de la característica de un ventilador al variar su velocidad sigue la Ley de Semejanza de las Máquinas Hidráulicas aplicadas a ventiladores (3.1) y (3.2). 3.2.4. Regulación de gasto mediante palas guía a la entrada de ángulo variable. Este método de regulación consiste en colocar en la entrada del ventilador (succión) unas palas guía del flujo de entrada al mismo. El ángulo de inclinación de dichas palas guía es variable, por lo que se puede ajustar para regular el flujo de entrada al ventilador (figura 3.13). Con dichas palas se puede crear una pérdida de presión en el ventilador que se traduce en una reducción de la presión que proporciona el mismo, que se acentúa aún más a mayores caudales (figura 3.14).

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AHORRO ENERGÉTICO EN ACCIONAMIENTOS DE VELOCIDAD VARIABLE

Figura 3.13. Colocación de palas guía de ángulo variable a la entrada del ventilador.

Figura 3.14. Variación de la curva gasto - presión de un ventilador al variar las palas guía a la entrada.

Este método es sencillo de implementar pero su mayor inconveniente es que para regular el flujo en el ventilador, se incurre en elevadas pérdidas en las palas de entrada, debido a las pérdidas de presión que se da en las mismas.

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AHORRO ENERGÉTICO EN ACCIONAMIENTOS DE VELOCIDAD VARIABLE

La característica del ventilador varía reduciendo la presión que aporta al fluido (figura 3.14). En este método de regulación de gasto la característica del sistema no varía ya que las pérdidas de carga y la configuración del mismo no varían. Esto es debido a que las palas guía a la entrada influyen directamente sobre el ventilador, entendiendo como sistema lo que se encuentra “aguas arriba” del mismo (figura 3.15). El ventilador funciona en el punto nominal P1 desplazando un gasto Q1 y suministrando al fluido una presión p1, para regular el gasto que recibe el sistema a Q2 se cambia el ángulo de las palas de entrada, variando la curva del ventilador hasta que el cruce con al característica del sistema sea P2, suministrando una presión p2 .

Figura 3.15. Estrategia de regulación de gasto mediante palas guía a la entrada de ángulo variable.

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AHORRO ENERGÉTICO EN ACCIONAMIENTOS DE VELOCIDAD VARIABLE

3.2.5. Regulación de gasto mediante accionamiento eléctrico. Este método de regulación consiste en

interponer entre la fuente de

alimentación y el motor un accionamiento eléctrico. Estos dispositivos proporcionan una velocidad de giro del motor deseada variando la frecuencia de alimentación al mismo (figura 3.16). Dicha velocidad deseada será a la que gire el ventilador. Variando la velocidad de funcionamiento del ventilador se puede variar la característica gasto – presión del mismo, y con dicha variación se pueden obtener cruces con la característica del sistema, que permanece inalterada, en un punto de funcionamiento gasto – presión deseado (figura 3.17).

Figura 3.16. Diagrama de funcionamiento de un accionamiento eléctrico.

Figura 3.17. Desplazamiento de los puntos de funcionamiento al variar la velocidad del ventilador mediante accionamiento eléctrico.

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AHORRO ENERGÉTICO EN ACCIONAMIENTOS DE VELOCIDAD VARIABLE

La variación de la característica de un ventilador al variar la velocidad sigue la Ley de Semejanza de las Máquinas Hidráulicas aplicadas a ventiladores (3.1) y (3.2). 3.3. Ahorro energético con accionamientos eléctricos. Con la inserción de un accionamiento eléctrico para la regulación de gasto en una instalación de ventilación se pueden conseguir unos ahorros energéticos

elevadísimos, ya que éste es el método de regulación más

eficiente de todos. Si se instalan unos dampers, se realiza una recirculación, se utiliza un accionamiento mecánico o hidráulico, o se instalan unas palas guía a la entrada en una instalación de ventilación se incurre en un gasto menor de inversión que el que supone la compra de un accionamiento eléctrico, pero si se analizan los costes asociados a un mayor consumo de energía a lo largo de los años de vida del accionamiento, se puede observar como el método de regulación de gasto por accionamiento eléctrico es el más conveniente. 3.3.1. Ahorro energético frente a regulación de gasto mediante dampers. Comparando los dos métodos desde el punto de vista energético, se puede observar que mediante la inserción en una instalación de un accionamiento eléctrico en vez de unos dampers para regular el gasto se pueden conseguir ahorros energéticos elevados. La ventaja de instalar unos dampers es que son sencillos de instalar, de poco mantenimiento y de un coste de inversión inicial bajo, pero hay que analizar otra serie de puntos a la hora de emprender un proyecto de inversión energético, como son los costes derivados del pago de la energía a lo largo de la vida del accionamiento.

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AHORRO ENERGÉTICO EN ACCIONAMIENTOS DE VELOCIDAD VARIABLE

La potencia consumida por un ventilador se expresa por (3.5).

PV =

kp ⋅ ρ ⋅ Q ⋅ p

(3.5)

η V ⋅ ρ0

donde: PV = Potencia consumida por el ventilador, W. ρ = Densidad del aire que se desplaza, kg/m3. Q = Gasto de fluido desplazado, m3/s. ηV = Rendimiento del ventilador. p = Presión proporcionada por el ventilador, Pa. ρ0= Densidad del aire a 20 ºC, kg/m3. kp= Coeficiente, p.u. El coeficiente kp depende de la presión estática absoluta del aire en el conducto de entrada al ventilador pta (3.6).   0.0035 ⋅ p ⋅ ηV k p = 1 −  p ta  

  

(3.6)

Cuando se utiliza un sistema de control de gasto por dampers, la potencia consumida por el sistema de ventilación se expresa por (3.7).

P=

kp ⋅ ρ ⋅ Q ⋅ p PV = η m η V ⋅ ρ0 ⋅ η m

(3.7)

donde: PV = Potencia consumida por el ventilador, W.

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AHORRO ENERGÉTICO EN ACCIONAMIENTOS DE VELOCIDAD VARIABLE

ρ = Densidad del aire que se desplaza, kg/m3. Q = Gasto de fluido desplazado, m3/s. ηV = Rendimiento del ventilador. p = Presión proporcionada por el ventilador, Pa. ρ0= Densidad del aire a 20 ºC, kg/m3. kp= Coeficiente, p.u. ηm = Rendimiento del motor. Cuando se utiliza un sistema de control de gasto por accionamiento eléctrico, la potencia consumida por el sistema de ventilación se expresa por (3.8).

P=

kp ⋅ ρ ⋅ Q ⋅ p PV = ηm ⋅ ηacc ηV ⋅ ρ0 ⋅ ηm ⋅ ηacc

(3.8)

donde: PV = Potencia consumida por el ventilador, W. ρ = Densidad del aire que se desplaza, kg/m3. Q = Gasto de fluido desplazado, m3/s. ηV = Rendimiento del ventilador. p = Presión proporcionada por el ventilador, Pa. ρ0= Densidad del aire a 20 ºC, kg/m3. kp= Coeficiente, p.u. ηm = Rendimiento del motor. ηacc = Rendimiento del accionamiento eléctrico. El ventilador funcionará en un punto gasto – presión que vendrá determinado por el cruce de la característica gasto – presión del ventilador y la característica gasto – presión del sistema (figura 3.18). Si se considera el punto P1 de la figura 3.18 como punto de funcionamiento nominal con un

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AHORRO ENERGÉTICO EN ACCIONAMIENTOS DE VELOCIDAD VARIABLE

gasto

nominal

de

funcionamiento

Q1

y

una

presión

nominal

de

funcionamiento p1, y se quiere regular el gasto por necesidad del proceso a Q2, se tendrá un nuevo punto de funcionamiento P2 o P3 (para método de regulación por dampers y accionamiento eléctrico respectivamente) como cruce de ambas características del sistema y del ventilador. Este nuevo cruce

proporcionará

una

presión

de

funcionamiento

p2

o

p3

respectivamente.

Figura 3.18. Comparativa de puntos de funcionamiento dampers - accionamiento eléctrico.

Se comparará la energía consumida por el ventilador en ambos puntos P2 y P3 (3.9) y (3.10).

P2 =

P3 =

k p2 ⋅ ρ ⋅ Q 2 ⋅ p 2 η V2 ⋅ ρ 0

k p 3 ⋅ ρ ⋅ Q3 ⋅ p 3 η V 3 ⋅ ρ0

(3.9)

(3.10)

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AHORRO ENERGÉTICO EN ACCIONAMIENTOS DE VELOCIDAD VARIABLE

Se puede observar en la figura 3.18 que p3 < p2 y que Q2 = Q3. La densidad ρ del fluido no varía al considerar en ventiladores el funcionamiento a ρ=cte. Si se busca el punto homólogo del P3 a velocidad nominal (la del punto P1) se obtiene el punto P4 cumpliéndose que ηV3 = ηV4. Al estar en la curva gasto – presión del ventilador el punto P4 más cerca del punto de funcionamiento nominal P1 que el P2 poseerá un rendimiento mayor que este (figura 3.19), por lo que se cumple que ηV2 < ηV4 = ηV3.

Figura 3.19. Comparación de rendimientos de P2 y P3.

Resumiendo se obtiene que: §

p3 < p2

§

kp2 ≅ kp3

§

Q3 = Q2

§

ηV2 < ηV3

§

P3 < P2

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AHORRO ENERGÉTICO EN ACCIONAMIENTOS DE VELOCIDAD VARIABLE

Por lo que queda constatado que utilizando un método de regulación por accionamiento eléctrico frente a una regulación por dampers se produce una reducción de la energía demandada por el ventilador para un gasto de servicio. El ahorro obtenido en el ventilador viene dado por 3.11.

Ahorro = P2 − P3 =

ρ ⋅ Q2 ρ0

 k p 2 ⋅ p 2 k p3 ⋅ p 3   ⋅  −  η η V2 V3  

(3.11)

Si se obvian las constantes y el ahorro debido a la diferencia de rendimientos, y se tiene en cuenta que los coeficientes kp2 y kp3 difieren muy poco, se puede representar cualitativamente el ahorro obtenido en el ventilador en la figura 3.20.

Figura 3.20. Representación cualitativa del ahorro obtenido mediante la utilización de un accionamiento eléctrico frente a unos dampers.

Ahora se estudiará el consumo de energía del sistema de ventilación para cada método de regulación. Para el método de regulación de gasto mediante dampers la energía consumida por el sistema de ventilación viene dada por (3.7).

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AHORRO ENERGÉTICO EN ACCIONAMIENTOS DE VELOCIDAD VARIABLE

Para el método de regulación de gasto mediante accionamiento eléctrico la energía consumida por el sistema de ventilación viene dada por (3.8). Como se puede observar en el cálculo de la potencia consumida por el sistema de ventilación, en el caso de la regulación de gasto por accionamiento eléctrico se tiene un término en el divisor no considerado en el caso de la regulación de gasto por dampers que es el rendimiento del accionamiento ηacc. Podría parecer que este término hace que se ahorre menos energía cuando se opta por un accionamiento eléctrico con respecto a otros métodos, y así es, lo que ocurre es que el rendimiento de un accionamiento eléctrico es muy elevado en un amplio rango de velocidades de funcionamiento del motor, por lo que el impacto de este término es mínimo y es compensado con creces por el ahorro en el consumo del ventilador. En cuanto a los rendimientos del motor ηm2 y ηm3 funcionando en los puntos P2 y P3 respectivamente no suelen diferir mucho, además el motor necesario en el proceso al utilizar un accionamiento eléctrico para regular el gasto frente a otros métodos de regulación es de menor potencia y por lo tanto de menor dimensión. Esto es debido a que las solicitaciones de potencia por parte del ventilador son menores en el caso de la utilización de un accionamiento eléctrico como ya se ha visto. Por lo que resumiendo se tiene: §

P3 < P2

§

kp2 ≅ kp3

§

ηacc ≅ 1

§

ηm2 ≅ ηm3

§

Psist3 < Psist2

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AHORRO ENERGÉTICO EN ACCIONAMIENTOS DE VELOCIDAD VARIABLE

El ahorro obtenido en el sistema de ventilación al implantar un método de regulación de gasto mediante accionamiento eléctrico frente a uno mediante dampers se expresa en (3.12).

Ahorrosist = Psist2 − Psist3 = ρ ⋅ Q2 = ρ0

P2 P3 − = ηm2 ηm3 ⋅ ηacc

k p3 ⋅ p 3  k p2 ⋅ p 2  ⋅ −   ηV 2 ⋅ ηm2 ηV 3 ⋅ ηm 3 ⋅ ηacc 

(3.12)

3.3.2. Ahorro energético frente a regulación de gasto mediante recirculación del gasto desplazado. Comparando los dos métodos desde el punto de vista energético, se puede observar que mediante la inserción en una instalación de un accionamiento eléctrico en vez de realizar una recirculación del gasto desplazado para regular el gasto se pueden conseguir ahorros energéticos elevados. La ventaja de realizar una recirculación es que es sencilla de realizar y controlar, requiere poco mantenimiento y un coste de inversión inicial mínimo, pero hay que analizar otra serie de puntos a la hora de emprender un proyecto de inversión energético, como son los costes derivados del pago de la energía a lo largo de la vida del proyecto. Cuando se utiliza un sistema de control de gasto por recirculación del gasto desplazado, la potencia consumida por el sistema de ventilación se expresa por (3.13).

P=

kp ⋅ ρ ⋅ Q ⋅ p PV = η m η V ⋅ ρ0 ⋅ η m

(3.13)

donde: PV = Potencia consumida por el ventilador, W.

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AHORRO ENERGÉTICO EN ACCIONAMIENTOS DE VELOCIDAD VARIABLE

ρ = Densidad del aire que se desplaza, kg/m3. Q = Gasto de fluido desplazado, m3/s. ηV = Rendimiento del ventilador. p = Presión proporcionada por el ventilador, Pa. ρ0= Densidad del aire a 20 ºC, kg/m3. kp= Coeficiente, p.u. ηm = Rendimiento del motor. Cuando se utiliza un sistema de control de gasto por accionamiento eléctrico, la potencia consumida por el sistema de ventilación se expresa por (3.8). El ventilador funcionará en un punto gasto – presión que vendrá determinado por el cruce de la característica gasto – presión del ventilador y la característica gasto – presión del sistema, como se puede ver en la figura 3.21. Si se considera el punto P1 de la figura 3.21 como punto de funcionamiento nominal con un gasto nominal de funcionamiento Q1 y una presión nominal de funcionamiento p1, y se quiere regular el gasto por necesidad del proceso a Q2, se tendrá un nuevo punto de funcionamiento P3 o P2 (para método de regulación por recirculación y accionamiento eléctrico respectivamente) como cruce de ambas características del sistema y del ventilador. Este nuevo cruce proporcionará una presión de funcionamiento p3 o p2 respectivamente, que en este caso son iguales. Se comparará la energía consumida por el ventilador en ambos puntos P2 y P3 (3.14) y (3.15).

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AHORRO ENERGÉTICO EN ACCIONAMIENTOS DE VELOCIDAD VARIABLE

Figura 3.21. Comparativa de puntos de funcionamiento recirculación del gasto desplazado - accionamiento eléctrico.

P2 =

P3 =

k p2 ⋅ ρ ⋅ Q 2 ⋅ p 2 η V2 ⋅ ρ 0 k p 3 ⋅ ρ ⋅ Q3 ⋅ p 3 η V 3 ⋅ ρ0

(3.14)

(3.15)

Se puede observar en la figura 3.21 que p3 = p2 y que Q3 > Q2. La densidad ρ del fluido no varía al considerar en ventiladores el funcionamiento a ρ=cte. Si se busca el punto homólogo del P2 a velocidad nominal (la del punto P1) se obtiene el punto P4 cumpliéndose que ηV2 = ηV4. Al estar normalmente en la curva gasto – presión del ventilador el punto P4 más cerca del punto de funcionamiento nominal P1 que el P3 (figura 3.22) poseerá un rendimiento mayor que este, por lo que se cumple que ηV3 < ηV4 = ηV2.

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AHORRO ENERGÉTICO EN ACCIONAMIENTOS DE VELOCIDAD VARIABLE

Figura 3.22. Comparación de rendimientos de P2 y P3.

Resumiendo se obtiene que: §

p3 = p2

§

kp2 ≅ kp3

§

Q2 < Q3

§

ηV2 < ηV3 (en la mayoría de los casos)

§

P2 < P3

Por lo que queda constatado que utilizando un método de regulación por accionamiento eléctrico frente a una recirculación del gasto desplazado se produce una reducción de la energía demandada por el ventilador para un gasto de servicio. El ahorro obtenido en el ventilador viene dado por (3.16).

Ahorro = P3 − P2 =

ρ ⋅ p2 ρ0

 k p3 ⋅ Q 3 k p2 ⋅ Q 2   ⋅  −  η η V3 V2  

(3.16)

Si se obvian las constantes y el ahorro debido a la diferencia de rendimientos, y se tiene en cuenta que los coeficientes kp2 y kp3 difieren

100

AHORRO ENERGÉTICO EN ACCIONAMIENTOS DE VELOCIDAD VARIABLE

muy poco, se puede representar cualitativamente el ahorro obtenido en el ventilador en la figura 3.23.

Figura 3.23. Representación cualitativa del ahorro obtenido mediante la utilización de un accionamiento eléctrico frente a recirculación del gasto desplazado.

Ahora se estudiará el consumo de energía del sistema de ventilación para cada método de regulación. Para el método de regulación de gasto mediante recirculación del gasto desplazado la energía consumida por el sistema de ventilación viene dada por (3.13). Para el método de regulación de gasto mediante accionamiento eléctrico la energía consumida por el sistema de ventilación viene dada por (3.8). En cuanto a los rendimientos del motor ηm2 y ηm3 funcionando en los puntos P2 y P3 respectivamente no suelen diferir mucho, además el motor necesario en el proceso al utilizar un accionamiento eléctrico para regular el gasto frente a otros métodos de regulación es de menor potencia y por lo tanto de menor dimensión. Esto es debido a que las solicitaciones de potencia por parte del ventilador son menores en el caso de la utilización de un accionamiento eléctrico como ya se ha visto.

101

AHORRO ENERGÉTICO EN ACCIONAMIENTOS DE VELOCIDAD VARIABLE

Por lo que resumiendo se tiene: §

P2 < P3

§

ηacc ≅ 1

§

ηm2 ≅ ηm3 kp2 ≅ kp3

§ §

Psist2 < Psist3

El ahorro obtenido en el sistema de ventilación al implantar un método de regulación de gasto mediante accionamiento eléctrico frente a uno mediante recirculación del gasto desplazado se expresa en (3.17).

Ahorrosist = Psist3 − Psist 2 = ρ ⋅ p2 = ρ0

P3 P2 − = ηm3 ηm2 ⋅ ηacc2

k p2 ⋅ Q 2  k p3 ⋅ Q 3  ⋅ −   ηV 3 ⋅ ηm 3 ηV 2 ⋅ ηm2 ⋅ η acc2 

(3.17)

3.3.3. Ahorro energético frente a regulación de gasto mediante accionamiento mecánico o hidráulico. Comparando los dos métodos desde el punto de vista energético, se puede observar que mediante la inserción en una instalación de un accionamiento eléctrico en vez un accionamiento mecánico o hidráulico para regular el gasto se pueden conseguir ahorros energéticos elevados. La ventaja de utilizar un accionamiento mecánico o hidráulico es que son más robustos, requieren menor mantenimiento y tienen un coste de inversión inicial menor, pero hay que analizar otra serie de puntos a la hora de emprender un proyecto de inversión energético, como son los costes derivados del pago de la energía a lo largo de la vida del proyecto.

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AHORRO ENERGÉTICO EN ACCIONAMIENTOS DE VELOCIDAD VARIABLE

Cuando se utiliza un sistema de control de gasto por accionamiento mecánico o hidráulico, la potencia consumida por el sistema de ventilación se expresa por (3.18).

P=

kp ⋅ ρ ⋅ Q ⋅ p PV = ηm ⋅ ηaccmh ηV ⋅ ρ0 ⋅ ηm ⋅ ηaccmh

(3.18)

donde: PV = Potencia consumida por el ventilador, W. ρ = Densidad del aire que se desplaza, kg/m3. Q = Gasto de fluido desplazado, m3/s. ηV = Rendimiento del ventilador. p = Presión proporcionada por el ventilador, Pa. ρ0= Densidad del aire a 20 ºC, kg/m3. kp= Coeficiente, p.u. ηm = Rendimiento del motor. ηaccmh = Rendimiento del accionamiento mecánico o hidráulico. Cuando se utiliza un sistema de control de gasto por accionamiento eléctrico, la potencia consumida por el sistema de ventilación se expresa por (3.8). El ventilador funcionará en un punto gasto – presión que vendrá determinado por el cruce de la característica gasto – presión del ventilador y la característica gasto – presión del sistema (figura 3.24). Si se considera el punto P1 de la figura 3.24 como punto de funcionamiento nominal con un gasto

nominal

de

funcionamiento

Q1

y

una

presión

nominal

de

funcionamiento p1, y se quiere regular el gasto por necesidad del proceso a Q2, se tendrá un nuevo punto de funcionamiento P2 o P3 (para método de regulación mediante accionamiento mecánico o hidráulico y accionamiento eléctrico respectivamente) como cruce de ambas características del

103

AHORRO ENERGÉTICO EN ACCIONAMIENTOS DE VELOCIDAD VARIABLE

sistema y del ventilador. Este nuevo cruce proporcionará una presión de funcionamiento p2 o p3 respectivamente. En este caso al utilizar ambos métodos la misma estrategia de regulación, los puntos P2 y P3 coinciden.

Figura 3.24. Comparativa de puntos de funcionamiento accionamiento mecánico o hidráulico - accionamiento eléctrico.

Ahora se estudiará el consumo de energía del sistema de ventilación para cada método de regulación. Para el método de regulación de gasto mediante accionamiento mecánico o hidráulico la energía consumida por el sistema de ventilación viene dada por (3.18). Para el método de regulación de gasto mediante accionamiento eléctrico la energía consumida por el sistema de ventilación viene dada por (3.8). En cuanto a los rendimientos del motor ηm2 y ηm3 como los puntos P2 y P3 son coincidentes se cumple ηm2 = ηm3. En lo que se consigue un mayor ahorro del sistema de regulación de gasto mediante accionamiento eléctrico frente al mecánico o hidráulico es en su rendimiento. Mientras que los accionamientos mecánicos o hidráulicos funcionan a rendimientos

104

AHORRO ENERGÉTICO EN ACCIONAMIENTOS DE VELOCIDAD VARIABLE

aceptables en un rango muy estrecho de velocidades, el accionamiento eléctrico mantiene un alto rendimiento en un rango de velocidades muy amplio. Esto produce un elevado ahorro especialmente a velocidades bajas donde el accionamiento mecánico o hidráulico sufre un descenso acentuado de su rendimiento. El ahorro obtenido en el sistema de ventilación al implantar un método de regulación de gasto mediante accionamiento eléctrico frente a uno mediante accionamiento mecánico o hidráulico se expresa en (3.19).

Ahorrosist = Psist2 − Psist3 =

η m2

P2 P3 − = ⋅ ηaccmh 2 ηm3 ⋅ ηacc 3

k p2 ⋅ ρ ⋅ Q 2 ⋅ p 2  1 1  = ⋅ − ηm2 ⋅ ηV 2 ⋅ ρ0  ηaccmh 2 ηacc3 

(3.19)

3.3.4. Ahorro energético frente a regulación de gasto mediante palas guía a la entrada del ventilador. Comparando los dos métodos desde el punto de vista energético, se puede observar que mediante la inserción en una instalación de un accionamiento eléctrico en vez de palas guía a la entrada para regular el gasto se pueden conseguir ahorros energéticos elevados. La ventaja de utilizar palas guía a la entrada es que son más robustas, requieren menor mantenimiento y tienen un coste de inversión inicial menor, pero hay que analizar otra serie de puntos a la hora de emprender un proyecto de inversión energético, como son los costes derivados del pago de la energía a lo largo de la vida del proyecto. Cuando se utiliza un sistema de control de gasto por palas guía a la entrada, la potencia consumida por el sistema de ventilación se expresa por (3.20).

105

AHORRO ENERGÉTICO EN ACCIONAMIENTOS DE VELOCIDAD VARIABLE

P=

kp ⋅ ρ ⋅ Q ⋅p PV = η m η V ⋅ ρ0 ⋅ η m

(3.20)

donde: PV = Potencia consumida por el ventilador, W. ρ = Densidad del aire que se desplaza, kg/m3. Q = Gasto de fluido desplazado, m3/s. ηV = Rendimiento del ventilador. p = Presión proporcionada por el ventilador, Pa. ρ0= Densidad del aire a 20 ºC, kg/m3. kp= Coeficiente, p.u. ηm = Rendimiento del motor. Cuando se utiliza un sistema de control de gasto por accionamiento eléctrico, la potencia consumida por el sistema de ventilación se expresa por (3.8). El ventilador funcionará en un punto gasto – presión que vendrá determinado por el cruce de la característica gasto – presión del ventilador y la característica gasto – presión del sistema, como se puede ver en la figura 3.25. Si se considera el punto P1 de la figura 3.25 como punto de funcionamiento nominal con un gasto nominal de funcionamiento Q1 y una presión nominal de funcionamiento p1, y se quiere regular el gasto por necesidad del proceso a Q2, se tendrá un nuevo punto de funcionamiento P2 o P3 (para método de regulación mediante palas guía a la entrada y accionamiento

eléctrico

respectivamente)

como

cruce

de

ambas

características del sistema y del ventilador. Este nuevo cruce proporcionará una presión de funcionamiento p2 o p3 respectivamente. En este caso, los puntos P2 y P3 coinciden.

106

AHORRO ENERGÉTICO EN ACCIONAMIENTOS DE VELOCIDAD VARIABLE

Figura 3.25. Comparativa de puntos de funcionamiento palas guía a la entrada accionamiento eléctrico.

Se comparará la energía consumida por el ventilador en los puntos P3 y P2 coincidentes (3.21) y (3.22).

P2 =

P3 =

k p2 ⋅ ρ ⋅ Q 2 ⋅ p 2 η V2 ⋅ ρ 0 k p 3 ⋅ ρ ⋅ Q3 ⋅ p 3 η V 3 ⋅ ρ0

(3.21)

(3.22)

Aún siendo P2 y P3 coincidentes, el consumo por parte del ventilador para los dos métodos de regulación no es el mismo, ya que al variar la curva del ventilador de forma diferente para cada método para alcanzar los puntos P2 y P3, los rendimientos en dichos puntos para el ventilador no coinciden. Ahí es donde reside el ahorro energético al utilizar un accionamiento eléctrico para la regulación del gasto, en vez de unas palas guía a la entrada del ventilador. Al existir pérdidas en las palas guía a la entrada del ventilador que no existen en la regulación de gasto mediante accionamiento eléctrico,

107

AHORRO ENERGÉTICO EN ACCIONAMIENTOS DE VELOCIDAD VARIABLE

se cumplirá que ηV2 < ηV3, por lo que el consumo por parte del ventilador cuando se regula el gasto del mismo mediante palas guía a la entrada es mayor que cuando se regula el gasto del mismo mediante accionamiento eléctrico. Resumiendo se obtiene que: §

p3 = p2

§

kp2 ≅ kp3

§

Q3 = Q2

§

ηV2 < ηV3

§

P3 < P2

El ahorro obtenido en el ventilador al implantar un método de regulación de gasto mediante accionamiento eléctrico frente a uno mediante palas guía a la entrada del ventilador se expresa en (3.23).

Ahorro = P2 − P3 =

k p2 ⋅ ρ ⋅ Q 2 ⋅ p 2  1 1  ⋅ −  ρ0  ηV 2 ηV 3 

(3.23)

Ahora se estudiará el consumo de energía del sistema de ventilación para cada método de regulación. Para el método de regulación de gasto mediante palas guía a la entrada la energía consumida por el sistema de ventilación viene dada por (3.20). Para el método de regulación de gasto mediante accionamiento eléctrico la energía consumida por el sistema de ventilación viene dada por (3.8). Aún siendo los puntos P2 y P3 coincidentes, al variar el rendimiento del ventilador en ese punto de un método de regulación a otro, la solicitación de potencia al motor será más elevada cuando se regula el gasto mediante palas guía a la entrada.

108

AHORRO ENERGÉTICO EN ACCIONAMIENTOS DE VELOCIDAD VARIABLE

En cuanto a los rendimientos del motor ηm2 y ηm3 no se conocen. Esto es debido a que la solicitación de potencia por parte del ventilador es mayor cuando se regula el gasto mediante palas guía a la entrada, pero se puede tener en la instalación un motor dimensionado adecuadamente a la solicitación de potencia del ventilador. Cuando se emprenda el proyecto de inversión en la compra de un accionamiento eléctrico para la regulación del gasto en el ventilador, quizás sea necesaria la compra de un motor de menores dimensiones debido a que la solicitación de potencia por parte del ventilador disminuye, por lo que el rendimiento del motor sería óptimo también. Por todo esto en la mayoría de los casos se cumplirá que los rendimientos son parecidos por lo que se tomará que ηm2 ≅ ηm3. Resumiendo se obtiene que: §

p3 = p2

§

kp2 ≅ kp3

§

Q3 = Q2

§

ηV2 < ηV3

§

ηm2 ≅ ηm3

§

P3 < P2

§

ηacc3 ≅ 1

El ahorro obtenido en el sistema de ventilación al implantar un método de regulación de gasto mediante accionamiento eléctrico frente a uno mediante palas guía a la entrada del ventilador se expresa en (3.24).

Ahorrosist = Psist2 − Psist 3 = ρ ⋅ Q 2 ⋅ p2 = ρ0

P2 P3 − = ηm2 ηm3 ⋅ ηacc3

k p3  kp2  ⋅ −   ηV 2 ⋅ ηm 2 ηV 3 ⋅ ηm3 ⋅ ηacc 3 

(3.24)

109

AHORRO ENERGÉTICO EN ACCIONAMIENTOS DE VELOCIDAD VARIABLE

3.4. Descripción del programa informático ESIVENTILADOR 1.0. ESIVENTILADOR 1.0. es una herramienta informática de cálculo en Microsoft Excel que estima la energía ahorrada cuando se instala en una instalación de ventilación una regulación de gasto mediante un accionamiento eléctrico en vez de otros métodos como son los dampers, la recirculación del gasto desplazado, accionamiento mecánico o hidráulico, o palas guía a la entrada del ventilador. ESIVENTILADOR 1.0. recoge la posibilidad de realizar los cálculos tanto con unidades métricas internacionales como en unidades anglosajonas. La herramienta dispone de unos campos de recepción de datos del usuario y unos campos de resultados donde se apreciará no sólo el ahorro energético calculado sino también el consecuente ahorro económico, disminución equivalente de emisiones de CO2 a la atmósfera, así como otros resultados de carácter económico como el cálculo del VAN del proyecto de inversión, el periodo de amortización, etc. A continuación, se describirá cómo realiza la herramienta informática los cálculos necesarios para llegar a los resultados finales. 3.4.1. Tratamiento de datos del ventilador. Los datos del ventilador que son necesarios para los cálculos son: §

Curva gasto – presión.

§

Curva gasto – rendimiento.

§

Punto de funcionamiento nominal (gasto y presión nominal) Qn y pn.

§

Velocidad de funcionamiento nominal.

110

AHORRO ENERGÉTICO EN ACCIONAMIENTOS DE VELOCIDAD VARIABLE

3.4.1.1. Curva gasto – presión. La introducción de la curva gasto – presión del ventilador se realizará punto por punto mediante unos campos a rellenar. Se pueden seleccionar cuantos puntos se desea introducir con un mínimo de 3 y un máximo de 10 puntos. El tratamiento informático de los puntos se ha realizado por interpolación. Dicho tratamiento varía dependiendo del número de puntos introducidos para definir la curva. El programa tiene información de 3 a 10 puntos dependiendo del criterio del usuario. En el tratamiento informático se trata de realizar un interpolante que pase por la cantidad de puntos seleccionada por el usuario y permita la representación gráfica de una curva, además de la evaluación del valor (Q,p) de puntos de la curva no introducidos por el usuario. El interpolante utilizado en este caso es especial, se obtendrá “a trozos”. Se realizará la explicación para 10 puntos que es el caso más amplio, pero los resultados se pueden extrapolar para 3 a 9 puntos. El interpolante utilizado se obtiene de forma análoga al punto 2.4.1.1.2. 3.4.1.2. Curva gasto – rendimiento. La introducción de la curva gasto – rendimiento del ventilador se realizará punto por punto mediante unos campos a rellenar. Se pueden seleccionar cuantos puntos se desea introducir con un mínimo de 7 y un máximo de 10 puntos. Se ha tomado un mínimo de 7 y no de 3 puntos como en el caso de la curva gasto – presión porque se estima que con un número de puntos inferior a 7 la curva obtenida por interpolación no reflejaría con exactitud aceptable la curva gasto – rendimiento del ventilador.

111

AHORRO ENERGÉTICO EN ACCIONAMIENTOS DE VELOCIDAD VARIABLE

El tratamiento informático de los puntos se ha realizado por interpolación. Dicho tratamiento varía dependiendo del número de puntos introducidos para definir la curva. En el tratamiento informático se trata de realizar un interpolante que pase por la cantidad de puntos seleccionados por el usuario y permita la representación gráfica de una curva, además de la evaluación del valor (Q,η) de puntos de la curva no introducidos por el usuario. El interpolante utilizado en este caso es especial, se obtendrá “a trozos”. Se realizará la explicación para 10 puntos que es el caso más amplio, pero los resultados se pueden extrapolar para 7 a 9 puntos. El interpolante utilizado se obtiene de forma análoga al punto 2.4.1.1.2. 3.4.2. Tratamiento de datos de funcionamiento. En el programa existe un campo de entrada donde el usuario introducirá el número de horas en un año en las que el ventilador estará funcionando. Para analizar cuanto tiempo está funcionando el ventilador a distintos gastos, se ha optado por utilizar 10 escalones de gasto (10% - 100 % del gasto nominal). El usuario deberá introducir que porcentaje del tiempo de funcionamiento anual funciona a un determinado gasto. Los datos introducidos por el usuario vendrán representados en un gráfico adjunto. 3.4.3. Tratamiento de datos del sistema. El programa proporciona un campo de entrada para la introducción de la densidad del aire a la temperatura ambiente media a la que estará el fluido en el sistema. También se proporciona en el programa un campo de entrada para la introducción de la presión estática a la entrada del sistema. Esta presión depende de la aplicación. Si no se conoce su valor pueden tomarse 101.3

112

AHORRO ENERGÉTICO EN ACCIONAMIENTOS DE VELOCIDAD VARIABLE

kPa que corresponden a la presión normal de aire atmosférico (1013 mbar). La curva del sistema se puede obtener construyendo una parábola que posea el vértice en el punto P1(0,0), y el punto P2 definido por una presión p2 = pn y un gasto Q2 = Qn. Siendo pn la presión de funcionamiento nominal y Qn el gasto de funcionamiento nominal (3.25). p = A ⋅ Q2

(3.25)

Imponiendo el paso por el punto P1 se obtiene (3.26). p1 = A ⋅ Q 12 + C → 0 = C

(3.26)

Imponiendo el paso por el punto P2 se obtiene (3.27).

p2 = A ⋅ Q 22 → pn = A ⋅ Q 2n → A =

pn Q 2n

(3.27)

Por lo que la curva del sistema vendrá definida por (3.28).

p  2 p =  n2  ⋅ Q  Q n 

(3.28)

Mediante esta expresión se podrán definir todos los puntos que se deseen en la curva del sistema. 3.4.4. Sistema de medida. Todos los cálculos podrán ser realizados por el programa ESIVENTILADOR 1.0. tanto en unidades métricas internacionales como en unidades anglosajonas. Dicha opción deberá ser seleccionada por el usuario, exponiéndose todos los resultados en las unidades seleccionadas.

113

AHORRO ENERGÉTICO EN ACCIONAMIENTOS DE VELOCIDAD VARIABLE

3.4.4.1. Sistema métrico internacional. Las

unidades

métricas

internacionales

utilizadas

en

el

programa

ESIVENTILADOR 1.0. se muestran en la tabla 3.1. Tabla 3.1

Concepto

Unidad

Expresión

Gasto

metro cúbico por segundo

m3/ s

Presión

pascal

Pa

Velocidad de giro

revoluciones por minuto

r.p.m.

Tiempo de funcionamiento

hora

h

Densidad

kilogramos por metro cúbico

kg / m3

Potencia

kilovatio

kW

Tensión

voltios

V

Frecuencia

hertzios

Hz

Precio de la energía

euro por kilovatio hora

€ / kWh

Vida útil

año

año

Ahorro energético anual

kilovatio hora

kWh

Reducción anual de CO2

kilogramo

kg

Emisión de CO2 por unidad

kilogramo por kilovatio hora

kg / kWh

Período de amortización

año

año

3.4.4.2. Sistema métrico anglosajón. Las

unidades

métricas

estadounidenses

utilizadas

en

el

programa

ESIVENTILADOR 1.0. se muestran en la tabla 3.2.

114

AHORRO ENERGÉTICO EN ACCIONAMIENTOS DE VELOCIDAD VARIABLE

Tabla 3.2

Concepto

Unidad

Expresión

Gasto

pie cúbico por minuto

cfm

Presión

pulgadas de altura de agua

in-water

Velocidad de giro

revoluciones por minuto

r.p.m.

Tiempo de funcionamiento

hora

h

Densidad

libra por pie cúbico

lb / ft3

Potencia

caballo de vapor

hp

Tensión

voltios

V

Frecuencia

hertzios

Hz

Precio de la energía

dólar por kilovatio hora

$ / kWh

Vida útil

año

año

Ahorro energético anual

kilovatio hora

kWh

Reducción anual de CO2

libra

lb

Emisión de CO2 por unidad

libra por kilovatio hora

lb / kWh

Período de amortización

año

año

3.4.4.3. Equivalencia entre los sistemas métricos utilizados. La equivalencia entre los sistemas de medida utilizados en el programa ESIVENTILADOR 1.0. se muestran en la tabla 3.3. Tabla 3.3 Concepto

Cantidad

Ud. Sist. Internacional

Cantidad

Ud. Sist. Anglosajón

Gasto

1

m3 / s

2118.88 cfm

Presión

1

Pa

0.00402 in-water

Densidad

1

kg / m3

62.4280 lb / ft3

Potencia

1

kW

1.3410

hp

Peso

1

kg

2.2046

lb

115

AHORRO ENERGÉTICO EN ACCIONAMIENTOS DE VELOCIDAD VARIABLE

3.4.5. Tratamiento de datos del motor. 3.4.5.1. Cálculo de la potencia recomendada para un motor. A la hora de afrontar la elección de un motor adecuado para un proceso determinado el primer cálculo que se ha de realizar es la solicitación de potencia del proceso al mismo. Con dicha potencia solicitada se podrá seleccionar el motor en cuanto a potencia nominal. El programa ESIVENTILADOR 1.0. realiza este cálculo, recomendando la potencia nominal del motor a instalar para que dicho motor se ajuste de manera óptima a las demandas de potencia del proceso que se esté analizando. La estrategia tomada para obtener la potencia nominal recomendada para un motor es la misma a la expuesta en el punto 2.4.5.1. 3.4.5.2. Tratamiento informático de datos de la curva carga – rendimiento del motor. El programa ESIVENTILADOR 1.0. requiere para el tratamiento informático de la curva carga – rendimiento del motor al menos 6 puntos de la misma. Se han tomado 6 puntos por considerar que son los mínimos requeridos si se desean hacer unos cálculos con cierta seriedad y exactitud. En el tratamiento informático se trata de realizar un interpolante que pase por los 6 puntos y permita la representación gráfica de una curva, además de la evaluación del valor (P,η) de puntos de la curva no introducidos por el usuario. El interpolante utilizado se obtiene de forma análoga al punto 2.4.1.1.2.

116

AHORRO ENERGÉTICO EN ACCIONAMIENTOS DE VELOCIDAD VARIABLE

3.4.5.3. Tratamiento informático de datos de la curva velocidad de funcionamiento – rendimiento del motor (caso de accionamiento mecánico o hidráulico). Se puede observar en el programa ESIVENTILADOR 1.0. que existen dos cuadros independientes en cuanto a introducción de datos referentes al motor. Uno de ellos se rellena cuando la regulación de gasto se realiza por medio de dampers, recirculación del gasto desplazado o palas guía a la entrada del ventilador, mientras que existe otro para rellenar en el caso de que la regulación de gasto se realice por medio de accionamiento mecánico o hidráulico. Esta diferenciación es debida a que los accionamientos mecánicos e hidráulicos vienen acompañados normalmente del motor, integrándose ambos, motor y accionamiento en una sola unidad compacta. Al tratarse de una única unidad compacta (motor + accionamiento) los rendimientos del motor vienen integrados en los rendimientos del conjunto motor + accionamiento. En el caso de regulación de gasto mediante accionamiento mecánico o hidráulico el rendimiento del conjunto depende tanto de la carga solicitada en porcentaje sobre la potencia nominal como de la velocidad a la que deba de funcionar el accionamiento (velocidad de salida del mismo, a la que funciona el ventilador). En este caso, como el rendimiento del conjunto depende tanto de la carga en porcentaje con respecto a la potencia nominal como de la velocidad de funcionamiento del accionamiento, se recepcionarán los datos con respecto a dicha pareja de valores (carga y velocidad de funcionamiento). Para el tratamiento informático de los datos, se tomará una simplificación, realizando el tratamiento mediante una curva velocidad de funcionamiento - rendimiento. Dicha simplificación es aceptable ya que al representarse el rendimiento del conjunto con respecto a la velocidad de funcionamiento como una familia de curvas, cada una para cada situación de carga (figura 2.17 y 2.18), se pueden localizar los puntos de rendimiento introducidos por el usuario en dicha gráfica y trazar un interpolante velocidad de

117

AHORRO ENERGÉTICO EN ACCIONAMIENTOS DE VELOCIDAD VARIABLE

funcionamiento – rendimiento. Esto no podría realizarse si la variación del rendimiento con respecto a la carga fuera brusca y no suave, situación que se conoce que no es así. La progresión del rendimiento con respecto a la carga es suave, por lo que dicha simplificación es válida. Otro aspecto a tener en consideración es que debería de haber una relación entre la carga y la velocidad de funcionamiento para realizar dicha simplificación. Esto también se da en los procesos que se están analizando, porque si se regula el gasto por medio de la variación de velocidad del ventilador mediante un accionamiento, si disminuye la velocidad del accionamiento, la solicitación de potencia en el proceso disminuye (figura 3.26).

Figura 3.26. Disminución de la potencia cedida al disminuir la velocidad del ventilador.

El programa ESIVENTILADOR 1.0 requiere para el tratamiento informático de la curva velocidad – rendimiento del motor al menos 6 puntos de la misma. Se han tomado 6 puntos por considerar que son los mínimos requeridos si se desean hacer unos cálculos con cierta seriedad y exactitud. En el tratamiento informático se trata de realizar un interpolante que pase por los 6 puntos y permita la representación gráfica de una curva, además de la evaluación del valor (N,η) de puntos de la curva no introducidos por

118

AHORRO ENERGÉTICO EN ACCIONAMIENTOS DE VELOCIDAD VARIABLE

el usuario. El interpolante utilizado se obtiene de forma análoga al punto 2.4.1.1.2. 3.4.6. Tratamiento de datos del accionamiento eléctrico. 3.4.6.1. Cálculo de la potencia recomendada para un accionamiento eléctrico. El caso de un accionamiento eléctrico es diferente al de un motor en cuanto al cálculo de la potencia nominal recomendada para el mismo dado un ciclo de trabajo. Debido a que un accionamiento no puede soportar sobrecargas al igual que un motor, se ha optado por la primera opción que se expuso en el punto 2.4.5.1 para el motor. Se ha tomado como potencia recomendada nominal para el accionamiento la que resulta de calcular la máxima solicitación de potencia que tendrá el mismo y aplicarle un coeficiente de sobredimensionado de seguridad del 5 %. 3.4.6.2. Tratamiento informático de datos de la curva carga – rendimiento del accionamiento eléctrico. El rendimiento de un accionamiento eléctrico depende tanto de la carga solicitada al mismo en porcentaje con respecto a la potencia nominal como de la frecuencia de salida del accionamiento que alimenta al motor, se recepcionarán los datos con respecto a dicha pareja de valores (carga y frecuencia de salida). Para el tratamiento informático de los datos, se tomará una simplificación, realizando el tratamiento mediante una curva frecuencia de salida - rendimiento. Dicha simplificación es aceptable ya que al representarse el rendimiento del accionamiento con respecto a la carga como una familia de curvas, cada una para cada frecuencia de salida (figura 2.22), se pueden localizar los puntos de rendimiento introducidos por el usuario en dicha gráfica y trazar un interpolante frecuencia de salida – rendimiento. Esto no podría realizarse si la variación del rendimiento con

119

AHORRO ENERGÉTICO EN ACCIONAMIENTOS DE VELOCIDAD VARIABLE

respecto a la frecuencia fuera brusca y no suave, situación que se conoce que no es así. La progresión del rendimiento con respecto a la frecuencia de salida es suave, por lo que dicha simplificación es válida. Otro aspecto a tener en consideración es que debería de haber una relación entre la carga y frecuencia para realizar dicha simplificación. Esto también se da en los procesos que se están analizando, ya que si se regula el gasto por medio de la variación de velocidad del ventilador (variación de frecuencia de salida del accionamiento) mediante un accionamiento eléctrico, si disminuye la frecuencia de salida del accionamiento, la solicitación de potencia en el proceso disminuye (figura 3.26). El programa ESIVENTILADOR 1.0 requiere para el tratamiento informático de la curva frecuencia – rendimiento del motor al menos 6 puntos de la misma. Se han tomado 6 puntos por considerar que son los mínimos requeridos si se desean hacer unos cálculos con cierta seriedad y exactitud. En el tratamiento informático se trata de realizar un interpolante que pase por los 6 puntos y permita la representación gráfica de una curva, además de la evaluación del valor (f,η) de puntos de la curva no introducidos por el usuario. El interpolante utilizado se obtiene de forma análoga al punto 2.4.1.1.2. 3.4.7. Tratamiento informático de los datos económicos. 3.4.7.1. Moneda. El programa ESIVENTILADOR 1.0. permite al usuario realizar los cálculos económicos en unidades monetarias tanto europeas (€) como anglosajonas ($).

120

AHORRO ENERGÉTICO EN ACCIONAMIENTOS DE VELOCIDAD VARIABLE

3.4.7.2. Precio de la energía. El usuario del programa ESIVENTILADOR 1.0. deberá introducir el coste asociado al consumo energético de su proceso en €/kWh o $/kWh. 3.4.7.3. Aumento anual del coste de la energía. El usuario del programa ESIVENTILADOR 1.0. deberá introducir el porcentaje de aumento esperado anual del coste asociado al consumo energético de su proceso. 3.4.7.4. Coste de la inversión. El usuario del programa ESIVENTILADOR 1.0. deberá introducir el desembolso inicial de llevar a cabo el proyecto de instalación de un accionamiento eléctrico. Además, se deberá incluir, si procede, el desembolso inicial de un posible cambio de motor para el proceso (opción de mejora también contemplada en el programa ESIVENTILADOR 1.0.). 3.4.7.5. Tasa de interés. Se utiliza para calcular el valor cronológico del dinero y está asociado a la estructura financiera de la empresa o a las condiciones del mercado financiero. Se denota por k y representa el interés anual generado al invertir un capital. 3.4.7.6. Horizonte temporal del proyecto de inversión. Es el tiempo usualmente expresado en años que transcurre desde el inicio de la inversión (desembolso inicial) hasta que el proyecto de inversión deja de producir ingresos. En el caso que se estudia, sería el tiempo expresado en años desde que se compra el accionamiento hasta que el accionamiento

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AHORRO ENERGÉTICO EN ACCIONAMIENTOS DE VELOCIDAD VARIABLE

deja de ser útil, queda obsoleto y debe ser reemplazado. Por ello, si el proyecto de inversión es la compra de una máquina industrial, el horizonte temporal pasa a llamarse vida útil de la misma. 3.4.8. Resultados. El programa ESIVENTILADOR 1.0. a través de todos los datos introducidos proporciona una serie de resultados. Dichos resultados constatarán el objetivo del proyecto, ya que se podrá comprobar mediante los mismos, la rentabilidad de realizar el desembolso inicial en la compra de un accionamiento eléctrico. 3.4.8.1. Gráfico comparativo de energía consumida. En dicho gráfico se representa la energía anual consumida regulando el gasto del ventilador por medio de un accionamiento eléctrico con la energía anual consumida al regular el gasto del mismo por medio de otro método seleccionado. 3.4.8.2. Reducción anual de emisiones de CO2. Representa la cantidad anual de CO2 que no se emite al ambiente en las centrales térmicas debido al ahorro energético anual conseguido al instalar un accionamiento eléctrico para la regulación del gasto del ventilador (2.43). 3.4.8.3. Ahorro económico anual medio. Es el ahorro económico anual derivado del ahorro energético anual conseguido al instalar un accionamiento eléctrico para la regulación del gasto del ventilador. Se calcula el ahorro económico anual medio porque el

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AHORRO ENERGÉTICO EN ACCIONAMIENTOS DE VELOCIDAD VARIABLE

precio de la energía puede variar a lo largo de la vida útil del accionamiento (2.44). 3.4.8.4. Período de amortización. Es el tiempo expresado en años que se tardará en recuperar la inversión inicial del proyecto de inversión (2.46). 3.4.8.5. Valor actual neto. VAN. Es un valor económico que representa lo ventajoso que será el realizar un proyecto de inversión. Representa la cantidad total de dinero que se ganará durante la vida útil del accionamiento al llevar a cabo el proyecto de inversión (en este caso la compra del mismo). Las ecuaciones empleadas en el cálculo del VAN son idénticas a las del punto 2.4.8.5. 3.4.8.6. Índice de rentabilidad. Es el valor actual neto dividido por el coste de inversión inicial (2.51). Representa la cantidad de dinero que se ganará llevando el proyecto de inversión a cabo por cada unidad monetaria gastada en el desembolso inicial. Si se poseen varios proyectos de inversión planificados y se desea realizar uno de ellos, el que tenga la tasa de rentabilidad más elevada, es el que debería realizarse primero.

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