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“ Uso eficiente de la energía en la operación de equipos sumergibles “
Expositor: Ing. Luis Antonio Sánchez Bautista.
20 de julio del 2018.
Introducción.
La bomba es uno de los artefactos mas viejosconocidos por la humanidad, y es el segundo en númeroen ser usado después del motor de jaula de ardilla.
La bomba ha estado sujeta a sustancialesinnovaciones en su fabricación y diseño, lo cual a dadocomo resultado que actualmente estén disponibles ennumerosos tipos y para una gran diversidad de usos.
Definiciones.
Equipo de bombeo.
Un equipo de bombeo es un transformador de energía mecánica queprocede de un motor eléctrico, térmico, etc, y la convierte en energía, queun fluido adquiere en forma de presión, posición y velocidad.
Bomba Hidráulica.
Dispositivo que se utiliza para convertir la energía mecánica en energíahidráulica.
Máquina empleada para extraer, elevar o impulsar un fluido de un lugara otro.
Máquina de fluido que transfieren energía o bombean fluidosincompresibles, sin alterar la densidad del flujo de trabajo.
Clasificación de bombas de agua.
Bomba sumergible.
Es una bomba que para su operación se sumerge en el líquido abombear.
Tiene un impulsor o cuerpo de impulsores sellados a su carcasa quepermite bombear el líquido en el que está sumergido hacia el exterior.
La principal ventaja de este tipo de equipos es que proporciona unafuerza de bombeo significativa sin depender de la presión de aireexterna para hacer ascender el fluido.
Se utilizan principalmente entre otras aplicaciones particulares, parael bombeo y extracción de aguas residuales, extraer agua de estanquesy pozos profundos.
Eficiencia.
En Física.Es la relación entre la energía útil y la energía invertida.
En Economía.La cantidad mínima de entradas (horas-hombre, capital
invertido, materias primas) para obtener un nivel o grado desalidas (ganancias, objetivos cumplidos, productos, etc).
En Administración.La relación entre los recursos utilizados en un proyecto y
los logros conseguidos con el mismo.
Eficiencia energética.
Todas las acciones que conlleven a una reduccióneconómicamente viable de la cantidad de energía necesariapara satisfacer las necesidades energéticas de los servicios ybienes que requiere la sociedad, asegurando un nivel decalidad igual o superior y una disminución de los impactosambientales negativos derivados de la generación,distribución y consumo de energía.
Equipo de bombeo eficiente.
• Mayor producción posible.
• Menor costo de operación.
• Menor costo de mantenimiento.
• Optimo consumo energético.
• Satisfacción del cliente.
Selección de un equipo
de bombeo.
Existen varios puntos a considerar para la selección de unequipo de bombeo. Los principales se pueden resumir de lasiguiente manera:
• Condiciones del fluido.
• Capacidad.
• Carga total dinámica.
• Diagrama de la disposición de la bomba y red hidráulica.
• Selección de clase y tipo.
Consideraciones para selección de un equipo de bombeo.
Tipo de Fluido.Agua potable, agua tratada o agua residual.
Gasto.El gasto requerido por el sistema.
Carga total dinámica.La carga a vencer por el equipo, en metros de columna de agua (mca).
Infraestructura. Define el tipo de equipo de bombeo a utilizar en elsistema de acuerdo a su instalación y condiciones óptimas de operación.
Temperatura.
Temperatura de trabajo o temperatura media a laque se encuentra el fluido en grados centígrados (°C).
Peso especifico.
El peso específico del fluido a bombear (kg/m3).
Observaciones específicas.
Describir cualquier condición particular del fluidoque se desea bombear.
Bombas sumergibles para
agua residual.
Propiedades del agua residual.
Las características físicas más importantes del aguaresidual son el contenido de sólidos, término que englobala materia en suspensión, la materia sedimentable,materia coloidal y materia disuelta.
Otras caracteristicas son el olor, temperatura,densidad, color y turbiedad.
Aguas negras.Agua de abastecimiento de una comunidad después de haber sido
contaminada por diversos usos. Puede ser una combinación de residuos,líquidos en suspensión, de tipo domestico, municipal e industrial, juntocon las aguas subterráneas, superficiales y de lluvia que puedan estarpresentes.
Aguas residuales.Fluidos residuales en el sistema de alcantarillado. El gasto o agua
usado en una casa, una comunidad, una granja, o industria que contienemateria orgánica disuelta o suspendida.
Aguas residuales municipales.Residuos líquidos, originados por una comunidad, formados
posiblemente aguas residuales domésticas o descargas industriales.
Bomba sumergible.
Electrobomba aplicada para extraer agua de pozos,reservorios, fuentes o cisternas a profundidades que puedenllegar hasta 30 metros.
Diseñadas con carcasa especial que las protege de laoxidación y corrosión.
No dependen de la presión del aire para impulsar elliquido, ya que al estar sumergidas pueden transportar elfluido a mayores distancias.
Impulsor mono canal.
El álabe sencillo esta diseñado lomas largo posible para conseguir elrendimiento óptimo dentro de loslimites fijados por el requisito del pasolibre.
Garantiza buenas característicasinherentes contra atascamientos.
La forma asimétrica exige que elimpulsor incluya contrapesosintegrados para el equilibrio. Surendimiento máximo alcanzable es del70-75%
Impulsor doble canal.
La dificultad inherente con este tipo de impulsoreses que impurezas fibrosas largas pueden entrar porambos canales y quedar atrapados por los bordesdelanteros del álabe, atascando la bomba.
Esto se puede mitigar mediante un buendiseño del borde delantero del álabe.
El rendimiento máximo alcanzable es de 80-85%
Los impulsores de tres y cuatro canales sonutilizados en equipos de bombeo muy grandes, yaun así tener un paso libre de 100mm.
El diseño del alabe es decisivo para estosimpulsores. El rendimiento máximo alcanzable es de82-86%.
Impulsor Vortex.
Utilizados en equipos de
bombeo muy grandes, y aun asítener un paso libre de 100mm.
El diseño del alabe es decisivopara estos impulsores.
El rendimiento máximoalcanzable es de 82-86%.
Paso de esfera.Se refiere a la capacidad de permitir el paso de
solidos a través del liquido bombeado, y por lo tantoa su característica contra atascamientos.
La dimensión del paso libre se refierenormalmente al mayor objeto esférico que puedeatravesar el impulsor y los orificios de la voluta.
En bombas pequeñas y medianas, el paso librees de 80 mm, y normalmente suficiente para aguasresiduales brutas.
En bombas mayores(caudal>100 l/s)el pasomínimo debe ser de 100 mm.
La capacidad de funcionar sin atascamientoesta muy relacionada con el paso libre.
La geometría del impulsor y álabe deben tenertambién características para evitar obstrucciones.
Funcionamiento.
Instalación fija.
Instalación fija.
Instalación portátil.
Instalación portátil.
Curvas de operación.
Las curvas de operación son una herramienta auxiliar importante en elproceso de selección o análisis de un equipo de bombeo existente opropuesto.
Para la selección del equipo en una curva de acuerdo a una aplicacióndada, se debe utilizar al menos un punto de la curva del sistema.
En algunas aplicaciones pueden utilizarse dos o mas puntos paraobtener la disposición más económica.
Cada aplicación debe comprobarse para determinar la magnitud delas diversas pérdidas hidráulicas.
Curva esquemática de capacidad vs carga total para la verificación de la eficiencia garantizada.
Curva de fricción de un sistema típico.
Importancia de eficiencia
energética en sistemas en de bombeo.
• Ahorro en tarifas de suministro.• Reducción de pérdidas en las instalaciones
eléctricas. • Mayor eficiencia de trabajo del motor eléctrico.• Mayor eficiencia del cuerpo de bombeo.• Mayor eficiencia del conjunto motor – bomba.• Reducción de perdidas mecánicas.• Reducción de fugas y pérdidas de carga.• Ahorro en gastos por mantenimiento.
Factores que afectan
la eficiencia del equipo
de bombeo.
En cuanto a la selección e Instalación.
• Dimensión del equipo.
• Características del líquido.
• Instalación eléctrica.
• Instalación hidráulica.
• Tarifa eléctrica.
• Condiciones de instalación.
En cuanto a la operación.
• Operación por debajo de la capacidad nominal.• Pérdidas.
Volumétricas.Hidráulicas.Mecánicas.
• Sistema de arranque y control del equipo.• Control de demanda.• Factor de carga.• Factor de potencia.• Condiciones de operación.• Control de perdidas y fugas.
Tipo de arranque del equipo de bombeo.
• Tensión plena.
• Tensión reducida.
• Arrancador estado sólido.
• Variador de velocidad.
Tarifas eléctricas.
Sistematarifarioanterior
2,6
3,6
6,OM
HM
Tarifas DivisionCentroSur(Morelos) DivisiónBajío(León,Gto)
PDBT(2,6) $3.3250 $3.3940
GDBT(3,6) $1.3530 $1.6230
GDMTO(6,OM) $1.1100 $1.3490
GDMTH(HM)
Base $0.8473 $0.9258
Intermedio $1.4968 $1.6449
Punta $1.6943 $1.8741
Costo($/kWhalmesdejuliodel2018)
Sistematarifarioactual
PDBT(PequeñaDemandaenBajaTensión)
GDBT(GranDemandaenBajaTensión)
GDMTO(GranDemandaenTensiónMediaOrdinaria)
GDMTH(GranDemandaenMediaTensiónHoraria)
TarifasCFE
Demanda máxima.
Esta aplica en la tarifa HM.
Se define como la demanda media en kW, durante un periodo 15 minutos,calculada cada 5 minutos.
Entre más alta sea la demanda de energía en un momento dado por unperiodo de 15 min, mas alto es el cargo o facturación.
Puede llegar a representar hasta el 60 % de la factura.
La demanda se puede reducir y controlar, administrando el uso de losequipos de mayor consumo en el horario pico, que es en el cual se exige mayorcantidad de energía por parte de las industrias a la CFE.
Factor de carga.
Este factor indica el porcentaje de la carga instalada que se utilizade manera real y efectiva.
Este factor ayuda a determinar si la potencia contratada escorrecta al consumo del equipo de bombeo.
Un factor de carga muy bajo indica que es posible que se tengacontratada una potencia excesiva al consumo del sistema, y que esposible conseguir un ahorro en facturación al bajar la potenciacontratada.
Un factor de carga muy alto indica que sobrepasamos la potenciacontratada, lo cual es penalizado.
Bajo factor de potencia.
• Multas y Recargos.
• Aumento de la intensidad de corriente.
• Perdidas de los conductores y fuertes sendas de tensión.
• Incremento de potencia de las plantas y transformadores, así comoreducción de su vida útil.
• Reducción de la capacidad de conducción de los conductores.
• Disminución de la vida útil de los conductores por aumento detemperatura.
Metodología para diagnóstico
de eficiencia energética.
Diagnóstico de eficiencia energética (DEE).
El Diagnóstico de Eficiencia Energética (DEE) es laaplicación de un conjunto de técnicas para determinarel grado de eficiencia con la que es utilizada la energíaen un sistema de bombeo, además de especificarcuánta de esa energía es desperdiciada.
Para realizar el diagnóstico de eficiencia energética, serequiere de realizar mediciones en campo del equipo de bombeoy de la descarga hidráulica, tales como:
• Voltaje de operación (V).• Corriente eléctrica de consumo (A).• Factor de potencia.• Potencia del equipo de bombeo (HP)• Capacidad de la subestación (KVA).• Longitud y diámetro de la tubería de descarga.• Presión hidráulica.• Niveles estático y dinámico del pozo.• Gasto instantáneo (lps).
Se requieren además los documentosreferentes a las características de la instalación,como pueden ser:
• Datos de facturación.
• Planos del sistema de conducción hidráulica.
• Datos de placa de equipos de bombeo.
• Bitácoras de operación.
Datos de facturación.
De este documento se obtienen los parámetros defuncionamiento de la instalación, así como la facturaciónpor el servicio de energía eléctrica.
Planos de sistema de conducción hidráulica.
Nos muestra las características y los elementos quecomponen la red hidráulica para la cual se diseña elsistema de bombeo.
Datos de placa de equipos de bombeo.
Son los datos nominales de operación de los equipos encuanto a su diseño.
Bitácora de operación.
Nos muestra el registro de las condiciones de operacióndel equipo de bombeo, así como el tiempo efectivo de trabajoy las interrupciones ocurridas por fallas o mantenimiento delequipo.
NOM-010-ENER-2004. Valores de referencia para el cálculo de la eficiencia mínima del motor sumergible.
Motor
(kW)
Motor
(hp)
Eficiencia
(%)
Hasta 1.492 Hasta 2.0 68
Mayor que 1.492 hasta 3.73 Mayor que 2.0 hasta 5.0 73
Mayor que 3.73 hasta 5.595 Mayor que 5.0 hasta 7.5 75
Mayor que 5.595 hasta 7.46 Mayor que 7.5 hasta 10.0 77
Mayor que 7.46 hasta 11.19 Mayor que 10.0 hasta 15.0 79
Mayor que 11.19 hasta 14.92 Mayor que 15.0 hasta 20.0 80
Mayor que 14.92 hasta 22.38 Mayor que 20.0 hasta 30.0 81
Mayor que 22.38 hasta 29.84 Mayor que 30.0 hasta 40.0 83
Mayor que 29.84 hasta 44.76 Mayor que 40.0 hasta 60.0 86
Mayor que 44.76 Mayor que 60.0 87
Eficiencia del equipo de bombeo.
El interés principal para realizar el diagnostico de la bomba secentra en el análisis de:
• Eficiencia actual del equipo de bombeo.
• Condiciones de operación del sistema.
• Características de las instalaciones y pérdidas en el sistema deconducción.
Parámetros para el análisis de la eficiencia del equipo de bombeo.
• Tipo de bomba• Caudal (l/s)• Carga hidráulica total (m)• Tipo y tamaño de impulsor• Número de etapas o pasos• Materiales de construcción• Curva de operación• Eficiencia nominal• Velocidad de operación (rpm)
Eficiencia electromecánica.
Con el valor de la potencia hidráulica (Ph) calculada y lapotencia eléctrica medida (Pe), se calcula la eficienciaelectromecánica final con la siguiente ecuación:
ηem = Ph
Pe
Teniendo el resultado del cálculo de la eficiencia delequipo de bombeo, se debe realizar entonces unaevaluación de los documentos descriptivos de laoperación del equipo de bombeo (Facturación decompañía de luz, planos del sistema hidráulico, bitacora,etc.)
Esta evaluación nos dará como resultado lasevidencias suficientes para la planeación de lasmodificaciones necesarias al sistema con la finalidad deque el trabajo en conjunto sea lo mas eficiente posible:
Mejoras en el sistema de
bombeo en base al diagnóstico
de eficiencia energética.
En cuanto a los sistemas de bombeo y conducción hidráulica.
• Adquisición o cambio de equipos de bombeo.
• Modificación de capacidad de motores eléctricos.
• Selección correcta del sistema de bombeo
• Cambio de líneas de conducción hidráulicas.
• Sectorización de redes hidráulicas.
• Programas de mantenimiento de redes hidráulicas.
En el sistema de alimentación eléctrica.
• Corrección de bajo factor de potencia.• Corrección de cableado del sistema.• Cambio de tarifa de facturación eléctrica.• Modificación de horario de bombeo a tarifas eléctricas mas
económicas.• Mejoramiento de sistemas de tierras.• Modificación de equipos en base a su factor de carga.• Modificación de capacidad de subestación eléctrica.• Programas de mantenimiento de redes eléctricas.
En la operación.
• Programas de mantenimiento de redes eléctricas.
• Programas de mantenimiento de redes hidráulicas.
• Programas de mejora continua de eficiencia de equipos de bombeo.
• Modificación de hábitos de operación.
Mejora continua.
Análisis de información.
• Eficiencia de motores.
• Eficiencia de bombas.
• Pérdidas en conductores eléctricos.
• Costos de la energía.
• Indicadores energéticos.
• Balance de energía.
• Procedimientos de operación.
• Procedimientos de mantenimiento.
Indicadores energéticos.
Los indicadores son medidas de la eficiencia y eficacia delsistema de agua potable.
Aunque existe una gran cantidad de indicadores, en el escenariode la eficiencia energética que se considera aquí se propone elseguimiento mínimo de los siguientes:
a) Indicador energético (IE) (kWh/m3).
b) Indicador de costo unitario de energía (CUE) ($/kWh).
Es importante determinar estos indicadorespermanentemente en las empresas, especialmentecuando se estén realizando acciones de incremento dela eficiencia.
El análisis de éstos permite evaluar del avance que selogra en el sistema, y en consecuencia establecer laspolíticas y programas en este sentido.
Indicador energético (kWh/m3).
Representa la relación entre la energía consumida porlos equipos de bombeo del sistema para producir elvolumen total del agua que se suministra a la red.
La energía utilizada se determina utilizando los datosdel historial de consumo de energía eléctrica presentadaen los recibos de la compañía de electricidad local.
Objetivo particular.
No existe un valor del indicador base de referencia,puesto que depende en gran medida del tipo decaptaciones de agua de que se disponga en el sistema deabastecimiento y de la topografía de la ciudad.
Indicador de costo unitario de energía (CUE) ($/kWh).
Representa el costo especifico por unidad de energíaconsumida, el cual depende de varios factores, entre ellos:
• el tipo de tarifa eléctrica contratada,• el factor de carga (que refleja las horas de operación reales
sobre las horas naturales)• facturación energética ( Factor de potencia).
Este indicador se calcula en base a la estadísticade consumo y facturación energética anualrecopilada por la empresa de agua y saneamiento, así como también la producción anual de agua potable.
CUE = Importe de facturación eléctrica ($/ano)Energía total consumida (kWh/ano)
Objetivo particular.
Al igual que en el caso del indicador anterior, noexiste un valor medio de referencia.
La meta del índice debe ser fijada por cada empresaen función de su infraestructura electromecanica y loscostos respectivos.
El indicador de eficiencia (IE) se calcula dividiendoel total de los kilowatts-hora consumidos en undeterminado ano entre el total del agua producida enlas captaciones del sistema de bombeo.
IE = Energía total consumida por equipos (kWh/ano)
Volúmen total de agua producida
en captaciones (m3/ano)
Balance de energía.
Una vez establecidas las eficiencias energéticas de loscomponentes del sistema de bombeo, se debe determinar elbalance de energía actual del equipo en estudio.
La finalidad del balance de energía es identificar loselementos del sistema de bombeo en los cuales se registranlos mayores consumos energéticos, y sirve de base para laplanificación de las medidas de ahorro correspondientes.
Mejoras posibles en base al
balance de energía.
En cuanto a los sistemas de bombeo y conducción hidráulica.
• Adquisición o cambio de equipos de bombeo.• Modificación de capacidad de motores eléctricos.• Selección correcta del sistema de bombeo• Planes de recuperación de agua.• Cambio de líneas de conducción hidráulicas.• Sectorización de redes hidráulicas.• Programas de mantenimiento de redes hidráulicas.
En cuanto al sistema de alimentación eléctrica.
• Corrección de bajo factor de potencia.• Corrección de cableado del sistema.• Cambio de tarifa de facturación eléctrica.• Modificación de horario de bombeo a tarifas eléctricas más
económicas.• Mejoramiento de sistemas de tierras.• Modificación de equipos en base a su factor de carga.• Modificación de capacidad de subestación eléctrica.• Programas de mantenimiento de redes eléctricas.
Conclusiones.
Para la correcta selección de un equipo de bombeo,se deben tener definidos los factores que afectan demanera directa su eficiencia, con el fin de generar lasolución mas óptima, así como un plan de seguimientode su operación después de su implementación.
Parámetros básicos a considerar para la selección de unequipo de bombeo.
• Tipo de agua.• Condiciones del Fluido.• Gasto.• Capacidad requerida.• Carga total dinámica.• Selección de clase y tipo.• Infraestructura.• Diagrama de la disposición de la bomba y red hidráulica.
El análisis de la eficiencia energética nos indicapuntualmente las áreas de oportunidad en las cuales sepueden realizar acciones, ya sean preventivas ocorrectivas, con la finalidad de controlar y optimizar losdiversos factores que nos afectan en el consumo y costoenergético de la operación diaria.
F I N
Por su atención…gracias !!!
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