Selección eficiente de acoplamientos y transmisiones en motores

La selección de motores para cada aplicación se hace en muchas ocasiones de forma intuitiva y ello genera ineficiencias en el sistema. Para seleccionar el motor apropiado para una aplicación particular, el ingeniero necesita considerar los requerimientos básicos del servicio. Estos incluyen el perfil de carga, las condiciones ambientales, la importancia de la flexibilidad de la operación, y los requerimientos de fiabilidad. Alrededor del 60 % de la energía consumida por las aplicaciones de transmisiones de los motores industriales se usan para impulsar bombas, ventiladores y compresores. Dentro de estas aplicaciones, las bombas y ventiladores centrífugos comparten algunas de las relaciones comunes entre velocidad (comúnmente medida en rpm), caudal, presión y potencia.

¿Un motor más rápido del que necesitamos? ¿Para qué?

Una implicación importante de estas leyes es que el consumo de energía es altamente sensible a la velocidad de operación ya que la relación entre velocidad y consumo no es lineal. Por ello, incrementar la velocidad de un ventilador o una bomba requiere un incremento relativamente grande de la potencia necesaria para hacerlo funcionar. Por ejemplo, doblar la velocidad de una máquina requiere ocho veces más potencia. De forma similar, disminuir la velocidad de un ventilador o bomba quita una carga significativa del motor.

Las curvas de rendimiento de una bomba nos ayudan a entender esta relación entre potencia y velocidad. El punto de operación es la intersección entre la curva del sistema y la curva de rendimiento de la curva. Para conseguir el caudal de operación deseado con una bomba de velocidad fija, se usa una válvula de estrangulamiento para controlar el caudal.

La cantidad de energía que usa una bomba cae drásticamente cuando se reduce la velocidad rotacional. Reduciendo la velocidad de la bomba con un variador de velocidad ajustable (ASD) el consumo cae notablemente, y la bomba opera más eficientemente. Reduciendo la velocidad de la bomba podemos proporcionar el mismo caudal pero mucho más eficientemente y ahorrando energía. No habrá de esta forma tanta caída de presión a través de la válvula de estrangulamiento, de forma que los requerimientos de mantenimiento, ruido del sistema, y la vibración del sistema se reducen.

Reemplazando una válvula de control por un ASD se puede incrementar la eficiencia del sistema y obtener de esa forma un ahorro energético significativo.

Bombas

Las bombas centrífugas son el tipo más comúnmente usado, principalmente por su bajo coste, ser simples de operar, fiables, y fáciles de mantener. Adicionalmente, tienen un periodo de vida relativamente más largo.

Los diseñadores e ingenieros del sistema necesitan comprender las condiciones de operación del sistema para dimensionar correctamente una bomba centrífuga. Muchos ingenieros tienden a ser conservadores en la estimación de los requerimientos del sistema, y a menudo se incrementa el tamaño de la bomba centrífuga y motor para acomodar las incertidumbres de diseño, expansiones de la capacidad potencial, y ensuciamiento o fouling del sistema. Sin embargo, esta aproximación a menudo lleva a sobredimensionar los ensamblajes bomba/motor. El sobredimensionado de las bombas puede incrementar los costes de operación como resultado de un incremento en los requerimientos de energía y mantenimiento y reducir la fiabilidad del sistema debido a las tensiones añadidas en el sistema.

Los sistemas de bombeo operan ineficientemente debido a prácticas de control de caudal incorrecta. Las opciones de control del caudal incluyen válvulas de estrangulamiento, válvulas de bypass, válvulas de velocidad-múltiple, configuraciones de bombas múltiples, y bombas acopladas a ASDs. Cada método de control del caudal tiene ventajas y desventajas, dependiendo de la aplicación particular. Cuando se incorporan apropiadamente en un sistema, estos métodos proporcionan un control de caudal adecuado y eficiente. Sin embargo, el diseño o uso inapropiado puede incrementar los costes del sistema significativamente.

ASDs ayuda a acoplar la energía del flujo transmitida al sistema con las necesidades actuales del sistema. En sistemas de bombeo, VFDs son con mucho las opciones de velocidad ajustable más comúnmente utilizadas. Reduciendo la velocidad de la bomba proporcionalmente reduce el caudal a la vez que exponencialmente se reducen los requerimientos de potencia del sistema. Aunque instalando VFDs puede conseguirse un ahorro sustancial de energía, no es conveniente para otras aplicaciones, en particular para aquellas en las que las bombas operan en alturas estáticas elevadas.

Una herramienta útil para evaluar las mejoras del sistema de bombeo es Pumping System Assessment Tool (PSAT).

Ventiladores

Las curvas de rendimiento del ventilador muestra que el caudal varía con la presión. Los ventiladores pueden agruparse en dos clasificaciones fundamentales, basadas en la forma en que se imparte la energía del flujo: ventiladores axiales y ventiladores centrífugas.

Los ventiladores axiales mueven el aire a lo largo del eje de un ventilador, semejante a un impulsor. Los ventiladores centrífugas usan un impulsor rotatorio para acelerar el movimiento del aire hacia fuera. Esta aceleración incrementa la energía cinética corriente de aire, que se traslada en un incremento en la presión. Estas diferencias tienen varias implicaciones con respecto a los motores. Los ventiladores axiales usualmente operan a velocidades más altas y, en algunos casos, se acoplan directamente al motor. Los ventiladores centrífugos tienden a ser más pesados, y a menudo tienen una inercia de carga más alta. Esta carga de inercia puede afectar al sistema de distribución eléctrica de la planta, especiamente en el arranque. Sin embargo, muchos ventiladores pueden equiparse con dispositivos de arranque suave que evita las tensiones en el arranque de la línea.

La mayoría de los ventiladores tienen motores de inducción que operan a 3600, 1800 y 1200 rpm. Ya que estas velocidades de motor son usualmente demasiado altos para la transmisión directa, se utilizan normalmente transmisiones directas para establecer la velocidad del ventilador deseada. Una importante excepción son los ventiladores vane-axiales. Estos ventiladores son compactos, eficientes, y usualmente están equipados con pequeñas aspas de ventiladores para minimizar las tensiones causadas por las altas velocidades de rotación.

Los diseñadores del sistema de ventilador tienden a ser conservadores, a menudo se especifican ventiladores más grandes que los que requiere el sistema. Sin embargo, los ventiladores sobredimensionados incrementan los costes operacionales y pueden causar problemas que son similares a los originados por las bombas sobredimensionadas. Los ventiladores sobredimensionados son a menudo más ruidosos y también requieren más mantenimiento.

Debido a que los regímenes de caudales de aire requeridos a menudo cambian de acuerdo con la temperatura, nivel de producción, ocupación, y carga de la caldera, los ventiladores frecuentemenet experimentan una demanda variable. La opción más efectiva es usar mecanismos de control de la velocidad, tales como un VFD, para ajustar la salida del ventilador.