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Cómo lograr eficiencia de
operación y energía con variadores de velocidad

¿Sabía usted que reduciendo la carga operacional de un ventilador o de una bomba en 20% puede obtener ahorros de energía de hasta el 50%?

Gráfico 1. Presión de salida medida en pulgadas estáticas de agua versus el flujo de aire medido en pies cúbicos
por minuto (CFM).

Los ventiladores están diseñados para ser capaces de entregar la demanda máxima del sistema en el cual están instalados. Frecuentemente, la demanda real varía y puede ser mucho menos que la capacidad de diseño.

Un ventilador transfiere su energía en aire a través de una fuerza centrífuga, lo que resulta en un incremento en presión y produce un flujo de aire a la salida (o descarga) del ventilador. En el gráfico 1, vemos un ejemplo típico de lo que produce un ventilador a la salida a una velocidad determinada.

Las curvas estándares de ventiladores normalmente muestran un número de curvas para diferentes velocidades del ventilador e incluyen la eficiencia y la potencia necesarias. Estas gráficas son muy útiles para seleccionar el ventilador óptimo para cualquier aplicación y, son necesarias para predecir la operación del ventilador y otros parámetros cuando la misma operación es cambiada.


Métodos para variar el flujo de aire

La curva del sistema (gráfico 2) muestra los requisitos del sistema de ventilación en el que es usado un ventilador, indicando cuánta presión es necesaria del ventilador para superar las pérdidas del sistema y producir flujo de aire.

La curva del sistema es un gráfica de los requisitos de “carga” independiente del ventilador. La intersección de la curva del ventilador y la del sistema, es el punto natural de operación; es la presión y flujo real que se tendrá a la salida del ventilador cuando el sistema sea operado.

Gráfico 2. Curva del sistema.

Muchos sistemas necesitan trabajar en múltiples puntos de operación. Existen varios métodos para modular o variar el flujo (o CFM) de un sistema para alcanzar el punto óptimo de operación. Algunos métodos son:

Encendido-Apagado: Justo como operan los sistemas de calefacción en las casas. Esto produce un flujo de aire errático y es inaceptable para uso comercial o industrial.

Dampers: Los dampers del ventilador son instalados para restringir el área de descarga y, con esto, reducir el flujo de aire a la salida.

Alabes variables: Al modificar las características físicas de la entrada de aire al ventilador, la curva de operación de los ventiladores cambia y, con esto, también cambia el flujo de aire producido.

Variadores de frecuencia: Al cambiar la velocidad real del ventilador, el desempeño de los ventiladores cambia y produce un flujo de aire distinto. Al modificar el flujo de aire, o la velocidad del ventilador, las curvas del sistema y/o del ventilador son afectadas, lo que origina un punto de operación natural diferente. Con esto, es posible que también se cambie la eficiencia del ventilador y la potencia requerida.


Dampers

Los dampers afectan la curva del sistema al incrementar la resistencia al flujo de aire. La curva del sistema puede ser establecida como:

P=K x (CFM)2

Donde:
P: la presión requerida para producir un flujo dado en el sistema.
K: una función del sistema que repre- senta la resistencia al flujo de aire.
CFM: el flujo de aire deseado.

Los dampers a la salida afectan el elemento K de la fórmula. El gráfico 3 ilustra diferentes curvas del sistema cuando se tiene diferentes posiciones en los dampers de salida.

La potencia requerida para este tipo de sistema se reduce gradualmente conforme el flujo de aire se reduce. El gráfico 4 lo muestra:

Gráfico 3. Curvas del sistema para diferentes posiciones en los dampers de salida. Gráfico 4.



Alabes Variables

Este método modifica la curva del ventilador de tal forma que intersecta la curva del sistema en un punto diferente. En el gráfico 5, se puede ver una representación de los cambios en la curva del ventilador para diferentes ajustes en los álabes.
 
La potencia requerida para este método se reduce conforme el flujo de aire se reduce, y en una mayor medida que usando el método de las persianas de salida (ver gráfico 6).

Gráfico 5. Gráfico 6.


Variadores de frecuencia

Este método toma ventaja del cambio en la curva del ventilador que ocurre cuando se cambia la velocidad del ventilador. Estos cambios pueden ser cuantificados mediante un conjunto de fórmulas llamadas leyes de afinidad.



Donde:
N: la velocidad del ventilador.
Q: el flujo de aire (CFM).
P: la presión (pulgadas estáticas de agua).
HP: la potencia.

Note que cuando las leyes de flujo y presión son combinadas, el resultado es una fórmula igual que la fórmula que describe la curva del sistema P=K x (CFM)2.



Al sustituir por en la primera ecuación nos da como resultado:



La cantidad coincide con la constante del sistema, K. Esto muestra que el ventilador seguirá la curva del sistema cuando la velocidad sea cambiada.

A medida que la velocidad se reduce, se alcanza una reducción significativa de la potencia requerida.

El método de velocidad variable logra un control del flujo de una manera muy cercana a la curva del sistema o de la carga. Esto permite que el ventilador produzca los resultados deseados con el mínimo de potencia.


Ahorro de Energía en Ventiladores

Es posible estimar el consumo de potencia para cada uno de los métodos revisados anteriormente y asociar un costo de operación a cada uno. Para esto, es necesario tener el perfil de carga real y la curva del ventilador como se muestra en los gráficos A y B.

Gráfico A. Gráfico B.

A manera de ejemplo, haremos un análisis para comparar el método de velocidad variable versus el método de dampers a la salida.

Usando la curva del ventilador mostrada previamente, supongamos que el ventilador seleccionado trabajara a 300 rpm y que el 100% del CFM es igual a 100,000 CFM como se muestra en la gráfica. Supongamos también el perfil de carga exhibido en la tabla 1.

Para cada punto operativo, podemos obtener de la curva del ventilador, la potencia requerida (HP). La potencia es multiplicada por el porcentaje de tiempo (dividido entre 100%), que el ventilador opera en este punto. Estos cálculos son sumados para producir una “potencia ponderada” que representa la energía promedio consumida por el ventilador (ver tabla 2).

De igual forma se realizan cálculos para obtener la potencia ponderada bajo el método de velocidad variable. Sin embargo, la curva del ventilador no tiene información suficiente para leer los valores de potencia de nuestros puntos de operación. Podemos usar las fórmulas de las leyes de afinidad para superar esto.

El primer punto es obtenido de la curva del ventilador. El 100% de flujo equivale al 100% de potencia que equivale a 35 HP. La fórmula de flujo


puede ser sustituida en la fórmula de potencia, y nos da:



Cuando Q1= 100% y HP1 = 35HP, Q2 y HP2 tendrán los siguientes valores:

Q2=80




HP2=18

Ahora tenemos información suficiente para calcular la potencia ponderada (tabla 3).

Comparando los resultados de los dos métodos de control se puede notar la diferencia en el consumo de potencia.

Para obtener el valor del ahorro de energía, debemos saber el valor de los kilovatios-hora. Para esto, se multiplica la potencia en HP por 0,746 y luego multiplicamos el resultado por las horas que el ventilador opera en un período de tiempo. Esto sería algo típico para un mes:

Artículo gentileza de Rockwell Automation Chile. Mayor información en www.rockwellenergycalc.com

Junio 2014
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