14-031

Cuarto Congreso Nacional – Tercer Congreso Iberoamericano
Hidrógeno y Fuentes Sustentables de Energía – HYFUSEN 2011
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MEJORA DE LA EFICIENCIA ENERGÉTICA DEL SISTEMA DE BOMBEO DE
AGUA PARA PROCESO DE UNA PLANTA INDUSTRIAL
Caminos J.(1), Pacheco C. G.(2), D`Andrea A.(3), Russillo S.(4).
1 – GESE – UTN – FRSF, A. del Valle 2960, (3016)
Argentina, [email protected]
2 - GESE – UTN – FRSF, Gdor. Candioti 1044,
[email protected]
3 - GESE – UTN – FRSF, Pje. Gianello 695,
[email protected]
4 - GESE – UTN – FRSF, M. Candioti 7119,
[email protected]
Santo Tome, Prov. Santa Fe, Republica
(3000) Santa Fe, Republica Argentina,
(3000) Santa Fe, Republica Argentina,
(3000) Santa Fe, Republica Argentina,
RESUMEN
El sector industrial continuamente debe buscar caminos para mejorar su gestión, reduciendo costos de
producción y aumentando su productividad con el objetivo de alcanzar niveles de competitividad
acordes a las características del mercado en el que se desenvuelven o pretenden desenvolverse.
El uso adecuado de los insumos de la producción, materias primas, agua y energía, entre otros, es un
factor de gran impacto en el camino de fortalecimiento del sector. Aún cuando existe consenso de que
inversiones en tecnologías y en equipos eficientes, así como la introducción de sistemas modernos de
gestión de la producción, constituyen condiciones necesarias para la permanencia en el mercado. Una
gestión eficiente y el uso racional de la energía (URE) constituyen estrategias básicas para garantizar
la satisfacción de las necesidades energéticas mediante el uso óptimo de los recursos disponibles,
dentro de un contexto de desarrollo sostenible. La habilidad para definir y medir la eficiencia
energética es entonces esencial para establecer el cumplimiento de estos objetivos. Se estima que los
ahorros que pueden obtener las empresas rondan un 20% del costo de energía de las mismas.
Se presenta en este trabajo un estudio del sistema de bombeo de agua para proceso de una planta
industrial. Para el mismo se efectuó una caracterización de las instalaciones y se realizaron mediciones
de las magnitudes involucradas.
Finalmente se presenta una modificación en la instalación y una serie de medidas a implementar a los
efectos de hacer un uso más eficiente de la energía, logrando un ahorro anual del orden de los 138
MWh.
Palabras Claves: Eficiencia energética, agua,
1. INTRODUCCIÓN
1.1 Sistema de enfriamiento de agua para
lavado
Esta parte del proceso industrial, requiere agua a
la temperatura de 14 ºC en forma permanente.
Constituye el principal consumidor del sistema
de agua de pozo. Mediciones efectuadas por
nuestro Grupo e información suministrada por el
sector de Planta de Agua determinan que el
caudal máximo requerido para el sector de
lavado es del orden de los 170 m.3/ h. El caudal
es sensiblemente variable en función de la
secuencia del proceso, registrándose en
momentos caudales de 30 m.3/h. Su
abastecimiento está a cargo de 5 bombas de
pozo profundo distribuidas en el predio
industrial. El agua se acumula en una cisterna de
Ho.Ao. [ETA]. Desde la cisterna, una bomba
tipo centrífuga la transporta hasta la planta
frigorífica para su enfriamiento a la temperatura
establecida de 14 ºC. Vuelve al sector de lavado
y se distribuye, según requerimientos del
proceso, a cada una de las 13 celdas de lavado
disponibles. Este proceso se lleva a cabo en
sucesivas etapas. El agua empleada en las
últimas etapas del lavado, en procura de
economía, se recupera y se emplea en las
primeras etapas de este proceso. El resto se
deshecha.
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LAVADO
Caudal requerido
por el sistema
Caudal retornado a
la cisterna
161m.3/h
38 m.3/h.
123 m3/h.
40 m.3/h.
113 m3/h.
42 m.3/h
24 m.3/h.
54 m3/h.
P. T. E.
DEPILADO
C
P
V. A.
CISTERNA
Figura 1: Esquema utilización sistema agua de
pozo.
El esquema operativo del sistema del agua de
pozo es tal como, esquemáticamente lo ilustra la
Fig. 1. La bomba centrífuga es la encargada del
suministro de agua a la sección de lavado,
depilado del producto y planta de tratamiento de
efluentes [PTE]. La instalación dispone instalado
en la descarga de la bomba, un retorno de agua a
la cisterna controlado por medio de 3 válvulas de
alivio. Cada una calibrada a distinta presión.
Esta bomba opera siempre a velocidad angular
constante y a plena capacidad. Tal como se
citara al comienzo, el máximo caudal requerido
por el sector de lavado de conformidad con
nuestras mediciones y los valores aportados por
v./ personal de Planta de Agua es de 170 m.3/h.
Para el sector de depilado y planta de tratamiento
de efluentes, la demanda máxima es del orden de
los 45 m.3/h. Luego el suministro total máximo
de la bomba de agua de pozo requerido por el
sistema, supuesta su simultaneidad, resulta de
215 m.3/h.
2. DESARROLLO
2.1. Característica de la demanda de agua de
lavado.
La variabilidad del caudal demandado
diariamente, impone la derivación frecuente de
un significativo caudal de agua a la cisterna. Al
reducirse el caudal demandado por el sistema,
como la bomba opera a velocidad angular
constante, se incrementa la presión de descarga
de la bomba y con ello el caudal que se retorna a
la cisterna. Es decir, el retorno de agua a la
cisterna, aumenta cuando el caudal de agua
requerido por el sistema se reduce, tal como lo
muestran las siguientes mediciones efectuadas.
17 m.3/h.
56 m.3/h.
Tabla 1: Caudales simultáneos de retorno y a
proceso en bomba salida de ETA.
Como resultado de numerosas
mediciones
efectuadas se ha determinado que los porcentajes
de tiempo para los distintos caudales requeridos
por el sistema de agua de pozo, resultan:
Rango de Med. 1 Med. 2
Caudal
%
%
m3/h
0-10
1.9
1.3
10-20
2.6
2.0
20-30
3.1
0.8
30-40
4.0
3.2
40-50
4.9
7.3
50-60
5.0
9.7
60-70
6.2
8.1
70-80
6.6
11.2
80-90
9.6
8.0
90-100
8.3
8.1
100-110
8.8
11.6
110-120
11.6
6.2
120-130
10.7
10.8
130-140
9.2
5.6
140-150
5.7
2.9
150-160
1.5
0.7
160-170
0.2
2.1
170-180
0.0
0.5
Tabla 2: Frecuencia de ocurrencia de caudales
demandados por el sector lavado expresado
como porcentaje de tiempo de funcionamiento
para el periodo de medición.
De la misma se observa que caudales menores a
80 m.3/h. son requeridos el 34 % del tiempo, los
comprendidos entre 80 y 140 m.3/ h. 59 % y
mayores caudales el 7% En consecuencia (59
%+7 %) el 66% del tiempo operativo de la
bomba, el retorno de agua a la cisterna es del
orden de los 50 m.3/h. Considerando un tiempo
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operativo anual de la bomba de 8.400 hs., el
caudal retornado a la cisterna y el porcentaje de
ocurrencia para cada rango de caudal, la cantidad
anual de agua retornada o recirculada de forma
innecesaria a la ETA es del orden de los 405.000
m.3/año.
Se han efectuado mediciones de la energía
eléctrica consumida por el motor de la bomba,
simultáneamente con el caudal suministrado al
sistema de agua de pozo. Del resultado de las
mismas, se ha determinado el consumo
específico de bombeo (kWh./m3) para diferentes
condiciones
operativas.
Los
valores
determinados se grafican a continuación en la
Fig.2.
0,45
0,43
0,41
0,39
0,37
C o n s u m o E s p e c ific o
k W h /m 3
0,35
0,33
0,31
0,29
0,27
14-031
verano. Luego su rango medio anual resulta igual
a (6 kWh. frigoríficos. / kWh. eléctrico).
Consecuentemente el consumo energético
requerido para la instalación frigorífica del Water
Cooling, por el concepto de agua retornada a la
cisterna resulta de:
Carga térmica/COP =94.000 kWh. / año / 6 =
15.670 kWh .
Finalmente, sumando el consumo de energía
eléctrica del caudal de agua derivado a la
cisterna (94.000 kWh) y el consumo eléctrico de
la instalación frigorífica para disipar al medio
ambiente esa carga térmica ( 15.670 kWh.)
resulta un valor de 109.670 kWh. Este consumo
de energía, es una consecuencia del diseño del
sistema de suministro de agua de pozo.
Particularmente, en el empleo de un sistema de
alivio, derivativo de agua, para regular la presión
máxima de descarga de la bomba. A efecto de
eliminar este consumo, se propone el reemplazo
de
la electrobomba actual por otra de
velocidad angular
regulada en forma
electrónica.
0,25
3. PROPUESTA, REEMPLAZO DE
BOMBA
0,23
0,21
0,19
0,17
0,15
20
30
40
50
60
70
80
90
100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200 210 220
Caudal Total m3/h
Figura 2: Consumo esp. del sistema motorbomba en función del caudal total bombeado.
Aplicando al volumen de agua derivado para
cada rango de caudal el valor del consumo
especifico de energía correspondiente, se obtiene
el consumo eléctrico de 94.000 kWh/año.
La derivación del caudal de agua por las válvulas
de alivio, además del consumo de energía
eléctrica adicional, se traduce en un
calentamiento del agua retornada a la cisterna.
Este calentamiento es equivalente al trabajo
eléctrico de la bomba que, posteriormente debe
ser enfriada en la planta frigorífica del sector
Water Cooling. El sistema frigorífico debe
transportar al medio ambiente la carga térmica de
94.000 kWh / año. Para las características
operativas de las instalaciones frigoríficas de la
planta industrial, el Coeficiente de Perfomance
[COP.] (Carga térmica transportada desde el
evaporador al condensador. / total de energía
eléctrica consumida por la instalación frigorífica.
compresor - bombas y ventiladores de la torre de
enfriamiento) varía de 7 en invierno a 5 en
La electrobomba con regulación electrónica de
velocidad angular, actúa modificando la
frecuencia del suministro eléctrico del motor y
con ello el caudal. El caudal suministrado por
una bomba determinada, es proporcional a la
velocidad angular [n.], la energía específica
proporcional a [n2.] y la potencia a [n3.].
Variando la frecuencia de la energía eléctrica
suministrada al motor, en función de una
determinada curva de requerimiento del sistema,
la descarga de la bomba se adecua a la
demanda.
Figura 3: Comportamiento del sistema de
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bombeo con regulación de caudal con variador
de electrónico de velocidad.
Del sistema de agua de pozo (Fig. 1), el
suministro principal corresponde al sector de
lavado. El resto es secundario y su demanda
energética específica sensiblemente menor que
el lavado. Relevada la instalación de agua de
lavado existente (cañería, válvulas, demás
accesorios, intercambiador de calor tipo casco y
tubo, alturas estáticas) y considerada sus
respectivas pérdidas de carga, la curva de
requerimiento de energía específica de este
sector, está dada por la siguiente ecuación:
H = 5.600 V2 + 10.000 [m. de col. de agua]
Donde:
H: energía específica [N.m./N].
V: velocidad del agua en el interior de la cañería
[m./s].
El sumando final, corresponde a la diferencia de
alturas estáticas medida en la brida de impulsión
y aspiración, respectivamente.
Curva H-Q Pto. de operacion
50,00
45,00
40,00
35,00
H m ca
30,00
25,00
20,00
15,00
Requerimiento del sistema
Respuesta de la bomba
10,00
5,00
0,00
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
110
120
130
140
150
160
170
180
190
200
210
Caudal m3/h
Figura 4: Estimación de la curva del sistema y
de respuesta de la bomba.
El rodete de la bomba proporciona al agua que
desplaza, una energía específica ( N.m./N.), una
altura [H.] que se reduce a medida que aumenta
el caudal [Q.] que transporta. La correspondencia
entre ambos parámetros [H-Q] resulta
representada en un par de ejes, por una curva
cuya concavidad está orientada
al eje de
abscisas. (Fig.4) Es la denominada Curva de
Respuesta de la Bomba. Variando la velocidad
angular de la bomba, se tendrán diversas curvas
de respuesta de la bomba (Fig.3). Cuanto menor
sea la velocidad angular, la curva de respuesta
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de la bomba en la cañería tendrá menores valores
de [H.] La pérdida de carga en la cañería, varía
con el cuadrado de la velocidad del fluido en su
interior. A medida que el caudal [Q.] aumenta,
lo hace la pérdida de carga; es decir la energía
específica
requerida
[H].
(Fig.4)
La
correspondencia
entre ambos parámetros,
resulta representada en un par de ejes por una
curva cuya concavidad está orientada en forma
inversa a la de respuesta de la bomba.
Denominada Curva de Requerimientos del
Sistema. Para una determinada bomba y cañería,
el caudal resultante será aquel cuya energía
específica requerida sea igual a la proporcionada
por el rodete, denominado Punto de Operación.
La intersección de ambas curvas (Fig.1.4).
Cuando se desea reducir el caudal suministrado,
una manera de hacerlo es introducir una
resistencia adicional al circuito, cerrando
parcialmente una válvula. De esa manera la
curva de requerimientos resulta más empinada e
intercepta a la curva de requerimientos a una
mayor altura y menor caudal. Se procede
inversamente si se desea aumentar el caudal.
Otro método para variar el caudal suministrado
al sistema, es el de derivar una parte del caudal a
la cisterna que alimenta a la bomba. Ambos
métodos son efectivos, pero tienen el
inconveniente que consumen energía para
reducir el caudal suministrado. Empleando el
método de regulación de velocidad angular del
rodete, varía solamente la curva de respuesta de
la bomba. Intercepta de esa manera a la curva de
requerimientos del sistema en distintos puntos
de operación, acorde con el caudal requerido por
el sistema. La variación de la frecuencia de la
energía eléctrica, queda a cargo de un software
que se adecua a la curva de requerimientos, en
base a una determinada presión en la descarga de
la bomba. El mismo puesto a punto a cargo del
proveedor del equipo.
La elección de la electrobomba y su regulación
electrónica de velocidad, debe hacerse teniendo
en cuenta la mayor frecuencia operativa del
caudal requerido por el sistema de lavado. Para
ese rango de caudales de mayor frecuencia
operativa (80-140 m.3/h.), debe elegirse una
bomba que opere con su mayor rendimiento. El
depilado y tratamiento de efluentes, son
requerimientos más puntuales y de menor
frecuencia de empleo. Considerando además que,
menores caudales que éstos, son de mayor
frecuencia operativa que aquellos que superan al
rango más frecuente. Reiterándose que, de
mantenerse el esquema actual de funcionamiento
del sistema, la bomba debe ser capaz de
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suministrar un caudal máximo de 215 m.3/h. a
una altura de 32 m. de columna de agua.
La Fig. 5 muestra la relación entre la energía
suministrada por la electrobomba al fluido, y la
energía consumida a la red eléctrica (El
rendimiento operativo del conjunto motor
eléctrico- bomba) de acuerdo a mediciones y
ensayos realizados en el sistema. En el punto
óptimo, el rendimiento del conjunto es del orden
del 49 %. Este valor es resultante del producto
de los rendimientos del motor eléctrico y de la
bomba.
El reemplazo del conjunto motor
eléctrico-bomba, tendrá asociado un mayor
valor del rendimiento de cada uno de los
componentes, que puede estimarse para el
conjunto una mejora promedio del orden del
12% para el rango de trabajo de la bomba.
0,54
0,52
0,50
0,48
R end im ie nto
0,46
0,44
0,42
0,40
0,38
0,36
0,34
0,32
0,30
50
60
70
80
90
100
110
120
130
140
150
160
170
180
190
200
210
220
Caudal m3/h
Figura 5: Estimación del rendimiento del
conjunto motor eléctrico- bomba en función del
caudal total.
4. RESULTADOS
La economía de energía que puede obtenerse del
reemplazo sugerido, resulta consecuencia de 3
factores. El primero, de eliminar la necesidad
de derivar agua para adecuarse al caudal
requerido por el sistema de agua de pozo, valor
calculado en 94.000 kWh./año. El segundo factor
radica en la economía energética del equipo
frigorífico al eliminar el caudal de agua en
derivación a la cisterna, calculado en 15.670
kWh/ año. El tercer factor derivado de la mayor
eficiencia de conjunto motor – bomba del menor
consumo específico
del equipo propuesto
respecto del actual. Para su determinación se
tiene en cuenta que, de acuerdo con nuestras
mediciones, el volumen anual de agua que se
emplea en el sector de lavado es del rango de los
880.000 m.3/ año obtenidos por extrapolación de
la medición de 22 días corridos y de la
información del personal de Planta de Agua
considerando una operatoria del sistema de 8.400
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h./ año. El consumo específico medio para la
electrobomba actual y rango de mayor frecuencia
operativa
es
de
0,27
kWh./m.3;
consecuentemente el consumo de energía
eléctrica anual para el suministro de agua para
lavado sin considerar derivación de agua resulta
de 236.700 kWh/año. Luego la economía del
propuesto grupo electrobomba con eficiencia
mayor del orden del 12% de los 236.700 kWh (
tercer factor) fuese de 28.400 kWh/año. En
total la economía resulta (94.000 + 15.670 +
28.400) kWh/año. = 138.070 kWh/año.
5. MEJORA DEL CONTROL OPERATIVO
DEL PROCESO.
Se interpreta que el caudal de agua consumido
por el sector de lavado, puede ser variable en
función de la etapa del proceso. Igualmente,
puede ser variable para las distintas clases de
materia prima empleada. No obstante, no ser de
nuestra especificidad, se tiene la plena
convicción que el régimen de demanda de agua
de lavado, debiera guardar
una cierta
característica en el tiempo, un cierto patrón de
consumo.
Tal
no
se
advierte
ni
aproximadamente. Este factor es resultado de la
metodología de trabajo, en la cual, el factor
personal es el predominante. La totalidad de esta
etapa del proceso se lleva acabo manualmente,
relativamente a criterio del operado siguiendo
normativas generales. Esta característica del
proceso tiene diversos inconvenientes. Genera
picos en la demanda de caudal de agua, y de
potencia del equipo frigorífico. Un mayor
consumo de agua que se vierte a los efluentes y
su consecuencia en cascada. Un mayor control
operativo y adecuados registros, son los
caminos adecuados para mejorar este factor.
El total del agregado de agua de lavado se
efectúa en forma puntual. Este agregado se hace
en forma tangencial en el centro de la generatriz
al movimiento circular a la que es sometido la
materia prima en procesamiento. Un único
chorro. No obstante la intensa turbulencia a que
se somete la mezcla bifásica de sólidos y líquido,
la presencia de sólidos y su característica
geométrica, la uniformidad de la mezcla del
agua de reposición y la contaminada, resulta
poco efectiva. Esto se traduce en un mayor
consumo de agua para el lavado y tiempo de
operación. Este último, se resuelve precisamente
incrementando el gasto de agua. Es por ello que
se propone el suministro de agua en forma de
riego, empleando al efecto el mismo caño
prolongado a lo largo de toda la generatriz del
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movimiento circular del fluido, con cierta
cantidad de orificios.
6. CONCLUSIONES
Todas estas propuestas y recomendaciones
mencionadas no solo contribuyen a una mejor
eficiencia de la instalación y su consecuente
ahorro en costos de explotación, sino también a
la reducción de la demanda de energía eléctrica y
por ende de las emisiones asociadas a su
generación.
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