25 julio 2011

Aprendiendo a evaluar el rendimiento de las bombas



Todos sabemos que actualmente necesitamos ahorrar energía y las bombas presentan buenas oportunidades. Además, las encontraremos en Energy conservation is the need of the hour.abundancia en casi todas las industrias y edificios públicos.  Debido a su gran versatilidad y amplio rango de operación, Of them, the most common are centrifugal pumps due to their great versatility and wider operating range. las bombas más comunes son las bombas centrífugas. Estos equipos vThey vary in size from a few kilowatts to towering megawatts and operate between efficiencies of 20 and 90 percent.arían en tamaños que van desde unos pocos kilovatios a imponentes bombas en el rango de megavatios.

Pero las oportunidades de eficiencia energética en los sistemas hidráulicos, y especialmente si se combinan con procesos térmicos de frío o calor, no son fáciles de cuantificar. La experiencia práctica nos ha enseñado que en una misma instalación podemos encontrar paybacks tan cortos como de un mes y otros de 30 meses o más en aplicaciones similares.

En este nuevo artículo sobre los sistemas de bombeo vamos a profundizar sobre los métodos disponibles para evaluar el rendimiento de las bombas.

La importancia de la ingeniería de detalle


Pero de lo que muchas personas no son conscientes es que las bombas que están en funcionamiento operan con eficiencias en un rango tan amplio como del 20 al 90 %. A poorly selected pump or a pump that does not run at optimum design duty point is a classic symbol of wasted energy. Una bomba mal seleccionada o una bomba que no trabaja en el punto óptimo de diseño es un símbolo clásico de pérdida de energía. It, therefore, becomes important to evaluate the performance of these pumps using the available methods. Es por tanto importante evaluar el desempeño de estas bombas utilizando los métodos disponibles.

The operating versatility of centrifugal pumps have made them widely used despite the fact that this versatility does not guarantee an energy efficient operation over a wide operating range.La versatilidad de funcionamiento de las bombas centrífugas ha permitido una amplia utilización de esos equipos, pero ello no garantiza una operación eficiente en energía, y de ahí que nos encontremos importantes oportunidades de ahorro energético.

Una bomba centrífuga es más eficiente en su Punto de Mejor Eficiencia (BEP), que puede ser o no su punto de trabajo. Again, the important term is operating point rather than the duty point or BEP, which may or may not coincide with the latter two. Una vez más, el término importante es el Punto de   Funcionamiento en lugar del Punto de Trabajo. Therefore, selecting the proper pump for a particular application becomes important, giving due consideration to the future requirements and attempting not to under- or overestimate the design margins and end up with an undersized or oversized pump. Por lo tanto, la selección de la bomba adecuada para una aplicación particular es una cuestión importante. Debemos tener en cuenta las futuras necesidades y tratar de no subestimar o sobreestimar los márgenes de diseño y terminar con una bomba de gran tamaño o inferior.

When a centrifugal pump is already in place, nothing much can be done except to evaluate, accurately, the operating point and the associated parameters governing the specific power consumption and to make the pump operate as close as possible to the duty point to attain energy efficiency in a real sense.Cuando una bomba centrífuga está ya funcionando,  no se puede hacer mucho, excepto evaluar, con precisión, el punto de funcionamiento y los parámetros asociados que rigen el consumo de energía específica. A partir de ahí debe intentarse hacer funcionar la bomba lo más cerca posible del punto de trabajo para alcanzar la eficiencia energética en un sentido real. This can be achieved either by measuring the flow, power and head and calculating the efficiency (conventional method) or measuring the efficiency, power and head and calculating the flow (thermodynamic technique). Esto puede lograrse,  mediante la medición del flujo, energía,  altura, cálculo de la eficiencia (método convencional) o la medición de la eficiencia, la potencia, la altura y el cálculo del flujo (técnica termodinámica).

With the increasing cost of electricity, more importance is due to the operational costs rather than the capital cost of the machine set.Con el creciente coste de la electricidad, se da más importancia a los costes operativos que a los costes de capital del conjunto de la máquina. This approach is life cycle cost (LCC) of the asset. Este enfoque es el coste del ciclo de vida (LCC) del activo. On average, depending on the application, the operational cost is almost 60 to 65 percent of the total LCC of the machine. En promedio, dependiendo de la aplicación, el coste de funcionamiento es casi el 60 al 65 por ciento de la LCC total de la máquina.

Thermodynamic Method Método termodinámico


Unlike conventional methods involving flow measurements for efficiency evaluation, the thermodynamic method measures the inefficiency of the machine, making the readings more reliable.A diferencia de los métodos convencionales que implican medidas de caudal para la evaluación de la eficiencia, el método termodinámico mide la ineficiencia de la máquina, haciendo las lecturas más fiables. This is an ideal method. Este es un método ideal. It is suitable for smaller machines, too. Es adecuado para máquinas más pequeñas, también. The method is based on the first law of thermodynamics and requires differential pressure and temperature measurements across the machine to evaluate its efficiency. El método se basa en la primera ley de la termodinámica y requiere medidas de presión diferencial y temperatura a través de la máquina para evaluar su eficacia. When this is combined with power measurements, flow can be accurately calculated as shown below: Cuando esto se combina con las mediciones de consumo, el caudal se puede calcular con exactitud como indicamos a continuación:



Where, Donde,

·         C p = Specific heat of the fluid (KJ/Kg-K)C p = Calor específico del líquido (KJ / kg-K)
·         ∆T = Differential temperature across the pump in mK (milli Kelvin) DT = diferencia de temperatura a través de la bomba en mK (mili Kelvin)
·         H = Pump head in meters (m) H = Altura de la bomba en metros (m)
·         P i = Input power to the motor in kW P i = energía de entrada al motor en kW
·         η p = Pump efficiency (%) η p = Eficiencia de la bomba (%)
·         Q = Pump flow rate in m 3 /s Q = caudal de la bomba en m3/s
·         η m = Motor efficiency (%) η m = Rendimiento del motor (%)

This method has been widely used for more than 25 years on more than 12,000 pumps, blowers, compressors and hydro turbines throughout the world with great success.Este método ha sido ampliamente utilizado por más de 25 años en más de 12.000 bombas, ventiladores, compresores y turbinas hidráulicas en todo el mundo con gran éxito.

Necesidad de la Evaluación del rendimiento

As stated earlier, centrifugal pumps' ratings vary from a few kilowatts to megawatts.Como se dijo anteriormente, las calificaciones de las bombas centrífugas varían de unos pocos kilovatios a megavatios. Even the operating efficiencies vary between 20 and 90 percent. Incluso las eficiencias de operación pueden variar entre un 20 y 90 %. Monitoring the operating efficiencies becomes critical to get an idea of the energy savings potential and also to visualize the asset condition. El control de la eficiencia de operación se convierte en fundamental para tener una idea del potencial de ahorro energético y también para visualizar el estado de los activos. The poorer the machine, the more the operating cost and the higher the energy savings potential. Cuanto peor es la máquina, mayor el coste de operación y mayor será el potencial de ahorro energético.
A pump operating away from its duty point badly affects the life of the seals, bearings, wear rings and shaft.Una bomba que operen lejos de su punto de trabajo sufre problemas en la vida de los sellos, rodamientos, desgaste de anillos y del eje. The radial forces in the pump are lowest at the duty point and increases with the shifting of the operating point on either side of it. Las fuerzas radiales en la bomba son los más bajos en el punto de trabajo y aumenta con el desplazamiento del punto de trabajo a ambos lados de la misma. Therefore, to maintain the asset's integrity, to have a record of the operating efficiency and assess the energy savings potential, pump monitoring becomes a regular requirement. Por lo tanto, para mantener la integridad del activo, para tener un registro de la eficiencia operativa y evaluar el potencial de ahorro energético, la bomba de supervisión se convierte en un requisito habitual.

Ventajas del método termodinámico respecto al método convencional

The conventional method involves the measurement of flow for an efficiency calculation.El método convencional consiste en la medición del caudal para calcular la eficiencia. So, its accuracy largely depends on the accuracy of the flow measurement in addition to that of power and head. Por lo tanto, su precisión depende en gran medida de la que obtengamos en la medición de caudal, además de la potencia y la altura. However, using the best of techniques, the flow measurement accuracy—using a non-intrusive, ultrasonic flow meter (USFM)—is bound to be less than ±5 percent in the field. Sin embargo, utilizando mejores técnicas, exactitud en la medición del caudal con métodos no intrusivos y medidores de caudal ultrasónicos (USFM), el error en la medición será menor al ± 5 %. This can be improved by increasing the number of passes with a USFM or permanently installing a magnetic flow meter in the line. Esto puede mejorarse aumentando el número de pases por un USFM o con la instalación permanente de un medidor magnético de caudal en la línea. Both these, however, are not justified as the former makes the efficiency evaluation too costly while the latter requires pipeline modification (cutting the pipe and installing the magnetic flow meter) for permanent installation. Ambos, sin embargo, no se justifican ya que el primero hace que la evaluación de la eficiencia sea demasiado costosa mientras que el segundo requiere para su instalación permanente la modificación de la tubería (corte de la tubería y la instalación del medidor de flujo magnético).
Noise and vibration is another factor that largely influences the accuracy of flow measurement and, therefore, the efficiency calculation.El ruido y la vibración son factores que influyen en gran medida en la exactitud de la medición del caudal y, por tanto, en el cálculo de la eficiencia. Besides this, accurate flow measurement using USFM requires at least 10 times the pump flange diameter of straight length pipe work for its installation. Además de esto, la medición exacta del caudal utilizando USFM requiere por lo menos 10 veces el diámetro de la brida de la bomba. This number limits the accuracy of the flow measurement for existing installations in which such distances are not available. Esto limita la exactitud de la medición de caudal para las instalaciones existentes en las que tales distancias no están disponibles. All these limitations make the conventional method's uncertainty higher than that of the thermodynamic method. Todas estas limitaciones hacen que la incertidumbre del método convencional sea superior a la del método termodinámico. Sample calculations in Table 1 illustrate this fact.
The pump efficiency calculated conventionally is 80.25 percent.La eficiencia de la bomba se calcula convencionalmente al 80,25 %. The uncertainty associated with the efficiency calculation is ±5.05 percent using the root mean square method. La incertidumbre asociada con el cálculo de la eficiencia es de ± 5,05 por ciento utilizando el método de la raíz cuadrada media. The uncertainties in power and flow measurement are assumed to be ±0.7 percent and ±5 percent respectively, while the uncertainty in specific hydraulic energy is calculated as ±0.31 percent. Las incertidumbres en la potencia y la medición del caudal se supone que serán de ± 0,7 % y de ± 5 %  respectivamente, mientras que la incertidumbre en la energía hidráulica específica se calcula como ± 0,31 %. The uncertainty in efficiency is directly governed by the uncertainty in flow measurement.
La incertidumbre en la eficiencia se regula directamente por la incertidumbre en la medición del caudal. Therefore, the flow measurement has to be most accurate to precisely evaluate the pump efficiency using the conventional method. Por lo tanto, la medición del caudal tiene que ser más precisa para evaluar con precisión el rendimiento de la bomba utilizando el método convencional.
The pump efficiency calculated by the thermodynamic method is 83.73 percent.La eficiencia de la bomba calculada por el método termodinámico es 83,73 %. The uncertainty associated with efficiency calculation is ±2.11 percent using the root mean square method. La incertidumbre asociada con el cálculo de la eficiencia es de ± 2,11 % utilizando el método de la raíz cuadrada media. The uncertainties in pressure, velocity head, elevation head and differential temperature are assumed as ±0.3 percent, ±5 percent, ±0.01 meter and 3 milli Kelvin, respectively.
Bibliografía:  Pump performance monitoring. Pumps & Systems


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