GUIA DE SISTEMAS DE BOMBEO

Guía de Asistencia Técnica de EE en Sistemas Motrices

Sistemas de Bombeo

2010

Sistemas de Bombeo

Guía de Asistencia Técnica de EE en Sistemas Motrices Pág. 2

ÍNDICE

1. INTRODUCCIÓN ...................................................................................... 5

2. OBJETIVO DE LA GUÍA ............................................................................. 7

3. TIPOLOGÍA DE LOS SISTEMAS DE BOMBEO ............................................. 8

3.1 TIPOS DE BOMBAS: ...................................................................................... 8

3.1.1 Centrifugas (Dinámicas) ..................................................................... 8

3.1.2 Desplazamiento positivo: .................................................................... 9

3.2 COMPONENTES DEL SISTEMA DE BOMBAS ........................................................... 12

4. IDENTIFICACIÓN DE OPORTUNIDADES DE EFICIENCIA ENERGÉTICA ... 13

4.1 REGISTRO DEL SISTEMA ............................................................................... 13

4.2 MOTOR ELÉCTRICO..................................................................................... 13

4.3 SISTEMA ................................................................................................ 13

5. MEDIDAS DE EFICIENCIA ENERGÉTICA ................................................. 15

5.1 DE OPERACIÓN ......................................................................................... 15

5.2 DE DISEÑO.............................................................................................. 16

5.3 DE MANTENCIÓN ....................................................................................... 21

5.4 MEDIDAS DE EE POR NIVEL DE INVERSIÓN ......................................................... 23

5.4.1 Medidas de Baja Inversión ................................................................ 23

5.4.2 Medidas de Mediana Inversión ........................................................... 23

5.4.3 Medidas de Alta Inversión ................................................................. 23

5.5 AHORROS ESTIMADOS POR MEDIDAS DE EE ........................................................ 25

6. CASOS PRÁCTICOS ................................................................................ 26

6.1 CONSUMO ENERGÉTICO Y COSTO ANUAL DE OPERACIÓN DE UNA BOMBA CENTRÍFUGA. ....... 26

6.2 ESTIMACIÓN DEL AHORRO ENERGÉTICO Y ECONÓMICO DE LAS MEDIDAS DE EE. .............. 28

6.2.1 Medida 1: Control ............................................................................ 28

6.2.2 Medida 2: Uso de sellos mecánicos ..................................................... 31

6.2.3 Medida 3: Reducción de caudal .......................................................... 33

6.2.4 Medida 4: Uso de variadores de velocidad ........................................... 37

6.2.5 Medida 5: Instalar una bomba más eficiente ....................................... 40

6.2.6 Medida 6: Cambio del tamaño del motor ............................................. 43

7. RELACIÓN DE TÉRMINOS TÉCNICOS. .................................................... 45

8. REFERENCIAS. ....................................................................................... 47

9. ANEXOS. ................................................................................................ 48

9.1 PRINCIPIOS DEL SISTEMA DE BOMBAS............................................................... 48

9.1.1 Gasto Volumétrico (Q) ...................................................................... 48

9.1.2 Potencia de la bomba ....................................................................... 48

9.1.3 Eficiencia de la bomba ...................................................................... 49

9.1.4 Altura Neta Positiva de succión disponible (NPSH) disponible ...................... 49

9.1.5 Altura Neta Positiva de succión requerida (NPSH) requerido ....................... 50

9.1.6 Curvas características ....................................................................... 51

9.1.7 Conexiones entre bombas ................................................................. 53

9.1.8 Conexión de bomba con el sistema de tuberías .................................... 54

9.1.9 Aplicaciones en la industria ............................................................... 56

9.2 MANTENIMIENTO DE LOS SISTEMAS DE BOMBEO .................................................. 59

9.2.1 Bomba ............................................................................................ 59

9.2.2 Motor ............................................................................................. 59

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9.2.3 Mantenimiento según tipo ................................................................. 60

9.3 EJEMPLO DE DISEÑO DE UN SISTEMA DE BOMBEO ................................................. 81

9.4 MOTORES ELÉCTRICOS ................................................................................ 85

9.4.1 Introducción .................................................................................... 85

9.4.2 Escenarios de evaluación .................................................................. 85

9.4.3 Caracterización del parque actual de motores ...................................... 86

9.4.4 Caracterización de los motores nuevos ............................................... 87

9.4.5 Determinación de criterios de decisión para la selección de motores eléctricos basados en el CAE......................................................................... 90

Índice de Figuras

Figura 1 Proporción típica de los costos del ciclo de vida de un sistema de bombeo ..... 6

Figura 2 Tipos de bombas .................................................................................... 8

Figura 3 Bomba centrífuga ................................................................................... 9

Figura 4 Bomba centrífuga ................................................................................... 9

Figura 5 Bomba reciprocante .............................................................................. 10

Figura 6 Bomba de lóbulos dobles (A: Pistón rotatorio 1; B: Cuerpo de la bomba; C: pistón rotatorio 2) ....................................................................................... 10

Figura 7 Bomba de engranajes ........................................................................... 11

Figura 8 Componentes de un sistema de bombeo ................................................. 12

Figura 9 Bomba centrífuga con inductor (rodete auxiliar previo) ............................. 17

Figura 10 Variación del NPSH requerido sin y con inductor en función al caudal ........ 18

Figura 11 Bombas en paralelo ............................................................................ 19

Figura 12 Instalación de 3 bombas en paralelo ..................................................... 19

Figura 13 Diagrama de CAMERER ....................................................................... 21

Figura 14 Diagrama de Sankey para Bomba Estudiada .......................................... 27

Figura 15 Factor de potencia y eficiencia eléctrica ................................................. 29

Figura 16 Potencia mecánica consumida por eje ................................................... 31


Figura 18 Pérdidas de Conducción ....................................................................... 35




Figura 22 NPSH ................................................................................................ 50

Figura 23 Curvas características de una bomba .................................................... 51

Figura 24 Punto de funcionamiento de la instalación ............................................. 52

Figura 25 Conexión en serie ............................................................................... 53

Figura 26 Conexión en paralelo .......................................................................... 53

Figura 27 Sistema sólo con pérdidas de fricción .................................................... 54

Figura 28 Sistema incluyendo pérdidas por fricción y altura estática ........................ 55

Figura 29 Bomba de desplazamiento positivo ....................................................... 56

Figura 30 Bomba de engranajes ......................................................................... 56

Figura 31 Bomba de alta presión vertical y horizontal ............................................ 57

Figura 32 Bombas multietápica horizontal ............................................................ 57

Figura 33 Bomba lobular ................................................................................... 58

Figura 34 Bomba de pistón circunferencial externo ............................................... 58

Figura 35 Impulsor afectado por la cavitación ...................................................... 62

Figura 36 Esquema de un Sistema de Bombeo ..................................................... 66

Figura 37 Variación en el Tiempo de la Presión en el Ducto .................................... 67

Figura 38 Procedimiento de un Análisis de Vibraciones .......................................... 70

Figura 39 Señal encontrada en el Análisis de Vibraciones ....................................... 71

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Figura 40 Curva característica de la bomba seleccionada ....................................... 84

Figura 41 Probabilidad de Falla de un Motor ......................................................... 87

Índice de Tablas

Tabla 1 Medidas de EE por nivel de Inversión ....................................................... 23

Tabla 2 Ahorros estimados por medidas de EE ...................................................... 25

Tabla 3 Aplicaciones Industriales ........................................................................ 56

Tabla 4 Plan de mantenimiento de una bomba centrífuga ...................................... 61

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1. INTRODUCCIÓN1

La Guía de Asistencia Técnica (AT) de Eficiencia Energética (EE) en Sistemas de Bombeo es una guía basada en información técnica y dirigida a quienes estén interesados en conocer y poner en práctica medidas que optimicen la operación de los sistemas y generen ahorros de energía, estás medidas pueden requerir de inversiones que perfectamente pueden ser financiadas por los ahorros de energías generados por su implementación. El conocimiento de los principios de funcionamiento, aplicaciones, operación y la mantención de estos sistemas nos proporcionan herramientas para identificar y evaluar la viabilidad técnica y financiera de las oportunidades que brinda la eficiencia energética.

La guía desarrolla los siguientes tópicos:

• Descripción de los principios, componentes, aplicaciones industriales y operación de un sistema de bombeo.

• Proporcionar recomendaciones para la optimización de la operación y mantenimiento, así como también para generar ahorros a través de las mejoras por redimensionamiento de los sistemas y/o aplicación de tecnologías eficientes en los sistemas, y

• Desarrollar herramientas de evaluación que faciliten, a los que toman decisiones, tener en cuenta tecnologías eficientes que se financien con los ahorros generados.

1 "Estas guías pertenecen al proyecto de licitación ID 5685-59-LE09, desarrolladas por Servicios de Ingeniería Deuman Limitada".

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Se conoce según algunas fuentes2 que los costos de energía y mantenimiento de los sistemas de bombeo están alrededor del 50%-90% y los de inversión inicial son alrededor del 15% del costo total del ciclo de vida. La guía incluye todo lo relacionado con la tecnología de las bombas, información orientada hacia el logro de la reducción del porcentaje de los costos de energía.

Figura 1 Proporción típica de los costos del ciclo de vida de un sistema de bombeo

Fuente: Pump Life Cycle Costs; A Guide to LCC Analysis for Pumping Systems.

2 Pump Life Cycle Costs; A Guide to LCC Analysis for Pumping Systems, Executive Summary US Department of Energy – Energy Efficiency and Renewable Energy, Hydraulic Institute and Europump, January 2001. http://www1.eere.energy.gov./industry/bestpractices/motors.html

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2. OBJETIVO DE LA GUÍA

La presente guía tiene por objetivos:

• Brindar conceptos claros para la puesta a punto de los equipos, logrando así mejor empleo de la energía.

• Proporcionar al usuario de las máquinas una idea clara del estado en que se encuentran sus equipos.

• Incentivar el uso de las buenas prácticas de ingeniería, para una mejor optimización en el uso de la energía.

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3. TIPOLOGÍA DE LOS SISTEMAS DE BOMBEO

Los sistemas de bombeo son de uso muy frecuente en el sector industrial como parte de los procesos productivos. Gracias a éstos se pueden transportar fluidos a distintas distancias y a diferentes niveles de altitud.

3.1 Tipos de bombas:

Según su principio básico de funcionamiento las bombas se pueden clasificar en:

Radial

Centrífugas Axial

de engranajes externos

Bombas de engranajes internos

Rotatorias de tornillo

de aspas

lobularesDesplazamiento Positivo

de acción directa

Reciprocante de potencia

de diafragma

Figura 2 Tipos de bombas

Fuente: Energy Management Series 13 For industry commerce and institutions Fans and Pumps.

3.1.1 Centrifugas (Dinámicas)

Se las conoce también como bombas cinéticas. Fundamentalmente, consisten en un rodete que gira acoplado a un motor. Éstas se dividen en:

a. Bombas de flujo radial Las bombas de flujo radial tienen una envolvente helicoidal, que se denomina voluta, que guía el flujo desde el impulsor hasta el tubo de descarga. Parte de la energía cinética se convierte en presión, forzando el líquido salir en un plano perpendicular a su eje.

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Figura 3 Bomba centrífuga

Fuente: Ingeniería Energética – Pedro Diez b. Bombas de flujo axial Una bomba de flujo axial imparte energía al líquido por acción del levantamiento de las aspas en forma de hélice lo que resulta en un flujo en dirección del eje

Figura 4 Bomba centrífuga

3.1.2 Desplazamiento positivo:

Las bombas de desplazamiento positivo son aquellas que guían al fluido que se desplaza a lo largo de toda su trayectoria, el cual siempre está contenido entre el elemento impulsor (que puede ser un émbolo, un diente de engranaje, un aspa, un tornillo, etc.) y la carcasa o el cilindro. El movimiento del desplazamiento positivo consiste en el movimiento de un fluido causado por la disminución del volumen de una cámara. Estas bombas se subdividen en bombas reciprocantes y bombas rotatorias.

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a. Bombas reciprocantes Las bombas reciprocantes son unidades de desplazamiento positivo descargan una cantidad definida de líquido durante el movimiento del pistón o émbolo a través de la distancia de carrera. Sin embargo, no todo el líquido llega necesariamente al tubo de descarga debido a escapes o arreglo de pasos de alivio que puedan evitarlo. Existen varios tipos de bombas reciprocantes, aquí mencionaremos las más usadas en la industria.

Figura 5 Bomba reciprocante

b. Bombas rotatorias Llamadas también roto estáticas, debido a que son máquinas de desplazamiento positivo, provistas de movimiento rotatorio. Estas bombas tienen muchas aplicaciones según el elemento impulsor. El fluido sale de la bomba en forma constante, puede manejar líquidos que contengan aire o vapor. Su principal aplicación es la de manejar líquidos altamente viscosos, lo que ninguna otra bomba puede realizar y hasta puede carecer de válvula de admisión de carga.

Figura 6 Bomba de lóbulos dobles (A: Pistón rotatorio 1; B: Cuerpo de la bomba; C: pistón rotatorio 2)

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Figura 7 Bomba de engranajes

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3.2 Componentes del sistema de bombas

Los elementos que conforman un sistema de bombeo son los siguientes:

a. Bomba b. Impulsores, motores eléctricos, diesel o sistemas de aire. c. Válvulas, estas forman parte del sistema, y van dispuestas en diversos puntos, su función principal es la de regular el flujo que es bombeado.

d. Tuberías, las tuberías forman gran parte del sistema, ya que por medio de ellas se conduce el fluido desde un lugar a otro.

e. Otras instalaciones, controles e instrumentación.

A: Bomba B: Indicadores de nivel C: Tanque, líquido de alimentación D: Motor de Bomba E: Controlador de motor F: Válvula G: Válvula de derivación H: Intercambiadores de calor (Equipo de consumo) I: Instrumentación J: Tubería de descarga K: Tubería succión

Figura 8 Componentes de un sistema de bombeo

Fuente: Improving Pumping System Performance: A Sourcebook for Industry

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4. IDENTIFICACIÓN DE OPORTUNIDADES DE EFICIENCIA ENERGÉTICA

En esta sección se presenta un procedimiento general a tomarse en cuenta al momento de realizar un diagnostico ó autodiagnóstico del sistema motriz con el objetivo de identificar oportunidades de medidas de eficiencia energética que se concreten en ahorros efectivos en la correcta operación de los sistemas.

4.1 Registro del sistema

• Recoger información de las características del sistema motriz y comparar con los datos de la placa del fabricante, para comprobar si el sistema sufrió alguna modificación.

4.2 Motor eléctrico

• Verificar la operación del motor eléctrico en condiciones de operación respecto a sus condiciones nominales. Especialmente parámetros eléctricos: Amperaje, voltaje de alimentación, factor de potencia.

• Inspeccionar el tipo de arranque. • Identificación de fugas de corriente mediante el uso de un medidor de voltaje,

detectando diferencias de potencial entre el neutro y tierra. • Verificación del estado de los acoplamientos entre el motor eléctrico y la carga

impulsada. • Verificar si los sistemas funcionan en determinado momentos en vacío. • Verificar que el motor eléctrico se encuentre ventilado y lejos de fuentes de

calor.

4.3 Sistema

• Contrastar el nivel de producción del sistema durante la operación con respecto a su capacidad nominal.

• Inspeccionar que el sistema se encuentre correctamente instalado de acuerdo a las recomendaciones del fabricante.

• Inspeccionar la limpieza del sistema en zonas que pueden perjudicar su correcto funcionamiento, zona con lubricación, dispositivos de control, etc.

• Verificar si el sistema tiene los sistemas de control necesarios para el funcionamiento del sistema, es decir, si detecta las partidas y detenciones, variaciones de carga o velocidad.

• Inspección del tablero del control, dispositivos y automatismos con los que cuenta el sistema.

• Inspeccionar los componentes del sistema que estén sometidos a continuo desgaste.

• Verificar la existencia de fugas (fluidos a través de los sellos mecánicos, válvulas, filtraciones en tuberías).

• Verificar el estado de las redes de distribución (posibilidades de incrustación en tuberías, corrosión, etc.).

• Verificar el nivel de lubricante en aquellos sistemas que lo emplean. • Verificar el estado del aislamiento térmico de los equipos que lo requieran

(intercambiadores de calor, ductos y tuberías). • Verificar el estado de los filtros de alimentación del fluido y de los sistemas de

lubricación. • Realizar las mediciones de consumo eléctrico para establecer la línea de base.

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• Verificar el sub o sobre dimensionamiento del sistema. • Revisar si el sistema ha sufrido alguna modificación en el tiempo y si esta ha

sido considerada en el redimensionamiento del motor.

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5. MEDIDAS DE EFICIENCIA ENERGÉTICA

5.1 De operación

• Cuidar el equilibrio de los sistemas • Disponer un equilibrio estático en el sistema que pueda permitir lograr que

siempre satisfaga las demandas de proceso, pero sin generar desperdicios de energía, esto se logra manteniendo las condiciones de diseño, particularmente en las aperturas o cierres de válvulas.

• En el caso que se cuente con bombas accionadas por medio de correas (correas en V), éstas deben estar perfectamente alineadas, ya que cualquier desviación del alineamiento, aunque sea pequeña, dará origen a desgastes excesivos y resbalamiento de la banda lo que acortará considerablemente la vida útil de ésta, también a un esfuerzo mayor por parte del motor con el aumento en el consumo de energía.

• Para que las bombas trabajen adecuadamente y desarrollen la presión de trabajo, es necesario que trabajen con el voltaje nominal para el cual fueron diseñadas.

• Para poder evitar el fenómeno conocido como golpe de ariete3 se recomienda instalar ventosas de aireación, debido a que éstas evitarán que se formen vacíos en las tuberías y extraerán las bolsas de aire que se generen, para evitar que una columna de aire empujada por el fluido acabe reventando en la superficie interior de la bomba o del sistema de tuberías generando desgaste en las mismas, lo que incide en un aumento del consumo de energía, debido al mayor trabajo que deberá realizar la bomba, producto de vencer el mayor roce o al menor caudal desplazado producto del desgaste en el interior de la bomba.

• Se recomienda que la bomba trabaje en el punto de operación, es por esto que una vez realizado el diseño de la instalación, no es recomendable hacer ampliaciones del sistema, debido a que incrementaran las pérdidas y harán que el sistema sea ineficiente.

• Se recomienda instalar un variador de velocidad en la bomba, para poder controlar de forma más precisa el caudal a desplazar producto de las variaciones de requerimiento propias del sistema. Así evitaremos que la bomba este trabajando por sobre la potencia requerida.

• Para un buen arranque del sistema verificar si la bomba ha sido adecuadamente cebada, esto impedirá el funcionamiento de la bomba en vacío.

• Para evitar el consumo excesivo de potencia, verificar: que el sentido de giro del rodete sea el adecuado, que el eje de transmisión no esté descentrado y que las empaquetaduras de la bomba no estén demasiado ajustadas.

• Tener adecuadamente lubricadas las chumaceras, cojinetes y otras partes móviles, ya que estas generan demasiada fricción entre sí, aumentando las pérdidas y trayendo consigo una mayor exigencia del sistema.

• Mantener en buen estado los sistemas de tuberías las cuales muchas veces se obstruyen debido a sólidos o a formaciones de caliche en las paredes de las tuberías. Esto ocasiona el incremento en las pérdidas y se reduce la eficiencia del sistema.

3 Se denomina golpe de ariete al choque violento que se produce sobre las paredes de un conducto forzado, cuando el movimiento líquido es modificado bruscamente. En otras palabras, el golpe de ariete se puede presentar en una tubería que conduzca un líquido hasta el tope, cuando se tiene un frenado o una aceleración en el flujo; por ejemplo, el cambio de abertura en una válvula en la línea.

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5.2 De diseño

• Revisar el caudal realmente necesario requerido por el sistema, esto puede permitir mediante un adecuado sistema de control o redimensionado del motor o bomba, disminuir los consumos energéticos.

Por ejemplo es poco probable que todos los equipos de refrigeración por agua requieran de refrigeración en todo momento. Es posible que haya excepciones, muchos elementos forman parte de los procesos intermitentes que pueden ser detenidos, ya sea para razones previstas o imprevistas. Incluso bajo condiciones de producción, algunas partes de la instalación podrían ser omitidas de la vía de producción, si no necesitan refrigeración.

• Evitar recirculación innecesaria.

Hay casos en que varias bombas pueden estar involucradas en la recirculación del agua y las cantidades excesivas de distribución por las bombas requieren energía adicional para recircular el exceso.

• Control por estrangulamiento.

La regulación es efectiva en reducir el flujo de las bombas, pero no es un método eficaz, por el derroche de energía en el acelerador, aunque se usa ampliamente como una técnica de control del caudal. Lo ideal sería que las bombas operen en un rango de flujos en torno al punto de la máxima eficiencia. Como consecuencia de un exceso de diseño, las bombas, en la mayoría de las industrias se encuentran ejerciendo su actividad con un caudal menor al de la máxima eficiencia, es decir, estrangulado hasta cierto punto. Por tanto, no pueden, alcanzar su máxima eficiencia y aunque están usando menos energía de lo que corresponde a la tasa máxima, de igual manera la energía se está perdiendo en todos estos sistemas.

• Se recomienda hacer un buen diseño para evitar el fenómeno de cavitación4. Éste provocaría un deterioro rápido del rotor, y una baja eficiencia del mismo.

En caso que el sistema ya esté construido y no cuente con un suficiente (NPSH)5, o cuente con un NPSH muy elevado, para una selección óptima de la bomba, hay varias formas de solucionar estos problemas, aquí planteamos algunas recomendaciones:

Para aumentar el NPSHdisponible:

• Subir el nivel del líquido. • Bajar la bomba. • Reducir las pérdidas por fricción de los tubos de succión. • Sub-enfriar el líquido.

4 La cavitación o aspiración en vacío es una condición anormal que puede producir pérdidas de producción, daños al equipo y lo peor de todo, lesiones al personal. Implica un proceso dinámico de formación de burbujas dentro del líquido, su crecimiento y subsecuente colapso a medida que el líquido fluye a través de la bomba. 5 Net Positive Suction Head, también conocido como ANPA (Altura Neta Positiva en la Aspiración) y CNPA (Carga Neta Positiva en Aspiración)

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Para reducir el NPSHrequerido

En casos especiales cabe la posibilidad de acoplar un rodete auxiliar previo (inductor) delante del rodete propio de la bomba centrífuga, con el cual se reduce el NPSH requerido en aproximadamente un 50 o 60% de su valor inicial. Por ejemplo cuando necesidades de última hora obligan a ampliaciones en la instalación que reducen el valor disponible inicialmente con resultado de un NPSH insuficiente, o que razones de tipo económico no permiten ampliar el NPSH de la instalación. (Elevar el nivel del depósito de alimentación) o utilizar una bomba de tamaño superior a velocidad inferior (con su correspondiente menor NPSH requerido).

Figura 9 Bomba centrífuga con inductor (rodete auxiliar previo)

Hay que indicar no obstante, que la disminución del NPSH requerido, mediante el citado inductor, no es válida para toda la gama de caudales de la bomba sino que afecta únicamente a una determinada parte de un campo de caudales, tal como se representa en la Figura 10.

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A=NPSHrequerido, sin inductor

B=NPSHrequerido, con inductor 1

C=NPSHrequerido, con inductor 2

1 y 2 = Ejecución con diferentes inductores

Figura 10 Variación del NPSH requerido sin y con inductor en función al caudal

Fuente: Dimensionado de Bombas Centrífugas

(Del Manual de Bombas y Válvulas KSB)

• Colocar un sistema de bombas idéntica en paralelo no siempre puede resultar beneficioso. Esto no siempre aumenta la cantidad de flujo. Cada bomba genera menos flujo y opera a menos eficiencia, con una pequeña ganancia en carga y con un incremento en potencia

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Figura 11 Bombas en paralelo

Fuente: Selección Fina de Bombas, Cátedra de Construcciones Hidráulicas, Ing. Luis E. Pérez Farrás.

De la Figura 11 puede deducirse que para un determinado valor de H0, el caudal suma de los tres rotores en paralelo será:

013xQQo =

Es decir que cada rotor aportaría, en teoría, un caudal Q01=Q0/3. Lo que sería válido siempre que H0 fuera igual a HT. Pero como la curva característica de la instalación debe ser tomada en cuenta, en realidad el punto de funcionamiento será el P’ en lugar de P.

Este hecho implica un caudal Q0’ menor que Q0, que será elevado a una altura manométrica H0’ mayor que H0.

Figura 12 Instalación de 3 bombas en paralelo


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• Seleccionar las tuberías de tal manera que garanticemos que la velocidad del flujo que las recorra esté alrededor de 2 m/s. Una Mayor velocidad de flujo incrementan la resistencia del sistema, lo que se ve reflejado en una mayor potencia.

Un mayor diámetro implica una mayor inversión inicial en la adquisición de tuberías, su transporte al lugar de emplazamiento y sus costos de instalación, a la vez que implica menores costos de operación, puesto que se consume menos energía eléctrica al bombear el mismo caudal a una altura manométrica menor.

El cálculo hidráulico brinda, en teoría, infinitas soluciones al problema y, en la práctica, numerosas opciones dadas por un gran número de posibilidades de diámetros y bombas ofertadas por la industria. La solución al problema se obtiene al introducir variables económicas al análisis, con lo que se obtiene un diseño económico y que a su vez cumple con los requerimientos técnicos del sistema.

La inversión inicial implica un capital por metro de tubería de instalación, el que, con un interés anual “i”, en el plazo de amortización de la obra que estimamos en “n” años, se transforma en una compleja función del diámetro, creciente en forma aproximada con el cuadrado del mismo y que denominaremos “Costo Unitario Anualizado de tubería, Cuac”:

)D(fCuac 2=

En cambio, los costos de energía, por metro de tubería instalado y por año, dan una función variable aproximadamente con la inversa del diámetro a la quinta potencia; lo denominamos “Costo Unitario Anual de Energía”:

)/1( 5DfCuae=

La función suma de ambos será:

CuaeCuacCuc +=

El valor mínimo de ésta ecuación nos da el diámetro más económico, el que, además de satisfacer las exigencias hidráulicas, cumple con el objetivo de dar lugar a la solución más económica, para el plazo de amortización de la obra.

En la Figura 13, se brindan gráficamente las ecuaciones desarrolladas y se observa el valor del diámetro mínimo o más económico. Este gráfico es tratado en la bibliografía especializada con la denominación de “Diagrama de CAMERER”.

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Figura 13 Diagrama de CAMERER


5.3 De mantención

• La eficiencia de la bomba se ve afectada por la cantidad de fugas en el impulsor.

• Recirculación debe mantenerse a un mínimo para que la bomba funcione de manera eficiente.

• Apretar en exceso puede provocar un desgaste excesivo en el sello del eje, provocando daños mecánicos y pérdida de energía.

• Recubrimientos especiales se pueden aplicar para reparar las picaduras y así reducir las pérdidas por fricción.

• La suciedad ataca el aislamiento de un motor a través de la abrasión y / o absorción. Se pueden contaminar los lubricantes y dañar los rodamientos. La acumulación de suciedad en la caja del motor, ventilador y aberturas de entrada aumenta la temperatura del motor, lo que reduce la eficiencia y acorta la vida del motor.

• Motores más grandes requieren tener un periódico engrase. Un problema es el exceso de lubricación, lo que provoca un aumento de la fricción, lo que lleva al fracaso. Limpie los accesorios antes de inyectar la grasa con el fin de evitar la contaminación.

• Un notable aumento o cambio en la vibración del motor es una indicación de un problema de rodamiento, desequilibrio de la carga, un eje doblado, un desalineación de acoplamiento o irregularidades eléctricas. La tensión de la transmisión y la alineación incorrecta puede verse afectada aumentando con ello la energía que consume el motor, además puede disminuir la vida del motor.

• Al momento de realizar mantenciones mayores y donde se deba retirar el motor o bomba, debe de tenerse en consideración el correcto tamaño de los tomillos o anclas de montaje y sujeción, esto puede llevar a problemas de alineación; se puede obtener como resultado problemas de vibraciones con posibles fallas en las rodamientos o hasta en el eje del rotor. El montaje y la cimentación resultan

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de fundamental importancia para evitar problemas mecánicos y eventualmente eléctricos, teniendo como resultante final un mayor consumo de energía.

• Una modificación en la carga del motor o en el acoplamiento de accionamiento, se manifestará como una sobrecarga en el motor. Cuando se presenta una sobrecarga, el motor demanda más corriente, lo cual incrementa la temperatura del mismo, reduciendo la vida del aislamiento y aumentando el consumo de energía.

• Aplicar una de las técnicas del mantenimiento predictivo para ver con qué ocurrencia se desgasta el rodete, ya que muchas veces el rodete puede estar deteriorado por el fenómeno de cavitación.

• Aplicar una de las técnicas del mantenimiento predictivo para determinar la frecuencia de limpieza del sistema de tuberías, logrando así evitar las perdidas por fricción en las tuberías y por ende el colapso del sistema.

• Ver que las tapaderas estén bien cerradas de manera que el polvo no pase a las chumaceras.

• Fijarse bien que la temperatura de las chumaceras no exceda de 60°C en motores de tipo abierto y en 80°C. en motores totalmente cerrados.

• Ver que la tensión de las bandas sea la adecuada para evitar deslizamientos. Ver que los engranes giren libremente; comprobar que las cadenas no muestren puntos de desgaste o partes brillantes que denoten rodamientos.

• La ventilación a través del motor no debe estar obstruida, es necesario que en las tomas de aire del motor no exista acumulación de materias extrañas, así como también a su alrededor.

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5.4 Medidas de EE por nivel de inversión

Las medidas de eficiencia energética son un conjunto de recomendaciones con las cuales se busca mejorar el rendimiento de los sistemas de bombeo.

Para su mejor comprensión, éstas se han clasificado en: medidas de EE de baja, media y alta inversión.

5.4.1 Medidas de Baja Inversión

Comúnmente llamadas de "housekeeping", estas medidas están relacionadas con los modos operativos, seguimiento y control, y pueden representar aproximadamente hasta el 15% del costo del sistema.

5.4.2 Medidas de Mediana Inversión

Comúnmente llamadas de "retrofitting", estas medidas generalmente tienen un tiempo de retorno cercano a un año o un costo aproximado entre el 16 y 85% del costo del sistema.

5.4.3 Medidas de Alta Inversión

Estas medidas se refieren a cambios de tecnologías o procesos con largos tiempo de retorno y representan un costo aproximado mayor al 86% del costo del sistema.

Tabla 1 Medidas de EE por nivel de Inversión

Nivel de Inversión

Medida

Disminuir la potencia de los motores o reducir los requisitos de energía. Evitar utilizar las bombas a carga parcial, en condiciones distintas a las nominales. Si la contrapresión de la bomba es menor de la especificada o calculada al diseñar la instalación, se recomienda, si la sobrecarga es constante, regular el impulsor en lo posible (consultar con el fabricante). Controlar las horas de operación. Evitar el sobredimensionamiento de las bombas en ampliaciones o proyectos energéticos nuevos Evaluar la reasignación de una bomba a otra ubicación en la planta en donde pueda operar en condiciones cercanas a las nominales. Efectuar mantenimiento oportuno según especificaciones del fabricante.

Media

Uso de variadores de frecuencia para el consumo eléctrico necesario. Utilizar una bomba de menor capacidad para aplicaciones específicas.

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Instalar un impulsor más pequeño o acondicionar el existente si el sistema estuviese sub-cargado

Minimizar el número de cambios de dirección en la tubería.

Instalar motores de bajo consumo de energía, o repotenciar los equipos existentes.

Alta

Evaluar la implementación de controles automáticos de presión y caudal. La práctica de configurar la bomba para mantener el requisito de presión más alta es una oportunidad malgastada de maximizar los ahorros de energía en un sistema de presión constante. Un controlador de presión avanzado reconoce un aumento de la demanda e incrementa automáticamente el punto de ajuste de la presión para corresponderse con la curva de resistencia que maximiza la economía de caudal. Evaluar el redimensionamiento de tuberías y accesorios para optimizar la operación de la bomba.

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5.5 Ahorros estimados por medidas de EE

Tabla 2 Ahorros estimados por medidas de EE

Revisión Posibles mejoras

Ahorro de Energía típico

1 El sistema no está trabajando según los requerimientos del sistema.

Control Depende de cada Sistema

2 Se están presentando fugas Uso de sellos mecánicos Depende de cada Sistema

3 Cambios en la operación , demandan nuevos caudales

Reducción de caudal 7-15%

4 Cambios en la operación , demandan nuevos caudales

Uso de variadores de velocidad

15-25%

5 El sistema ha perdido capacidad Instalar una bomba más eficiente

3-5%

6 Motor sobredimensionado Cambio del tamaño del motor 3-5%

7 Mantenimiento Realizar un programa de mantención riguroso y efectivo

Hasta 30%

8 Tuberías en mal estado Disminución de la rugosidad

6-10%

9 Sobrecalentamiento del motor por paradas frecuentes

Uso de variadores de velocidad

15-25%

10 Desgaste en volutas y rotores Revestir de resina 3-5%

11 Fugas en el sistema Instalar sellos mecánicos Hasta 20%

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6. CASOS PRÁCTICOS

6.1 Consumo energético y costo anual de operación de una bomba centrífuga.

Una bomba centrífuga industrial entrega 150 m3/h de agua con altura de 54 m. El rendimiento de la bomba en el punto de funcionamiento es del 80% y es accionada por un motor eléctrico asíncrono con un rendimiento del 90%. La bomba funciona a este régimen durante 12 h/día los 365 días del año.

Se calculará el consumo energético y los costos anuales de funcionamiento suponiendo un costo unitario de la energía eléctrica de 64$/kWh.

Las expresiones que relacionan los parámetros básicos de operación de una bomba centrifuga son:

Caudal Q (m3/h) 150 Altura h (m) 54 Costo de electricidad ( c ) $/kWh 64 Rendimiento de la bomba ηb 0,8 Rendimiento del motor ηm 0,9 Nº de horas anuales de funcionamiento t(h/año) 4.380

367xn

xQxHP

b

ρ=

Pabs=Pb/ηm x 100

La energía consumida y los costos anuales de funcionamiento vendrán dados por:

E = Pabs x t -> C = E x c

Siendo:

Pb = Potencia absorbida por la bomba [kW].

Pabs = Potencia absorbida de la red eléctrica [kW].

Q = Caudal [m3/h].

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ρ =Densidad específico del fluido. Agua: 1000 [kg/m3].

ηb = Rendimiento de la bomba [%].

ηm = Rendimiento del motor eléctrico [%].

E = Consumo energético [kWh/año].

t = Nº de horas anuales de funcionamiento [h/año].

C = Costo anual de funcionamiento [$/año].

c = Costo unitario de la energía eléctrica [$/kWh].

367=factor de conversión

Aplicando las expresiones se obtiene:

Q (m3/h)

h (m)

$/kWh ηb Pb

(kW) ηm Pabs (kW) t(h/año) E(kWh/año) C($/año)

150 54 64 0.8 36.79 0.9 40.88 4,380 179,044.67 11,458,859

El cálculo de la potencia de pérdidas en cada etapa de la transformación (bomba motor y transmisión red eléctrica) resulta trivial. A continuación, se representa el diagrama de Sankey para la bomba estudiada:

Figura 14 Diagrama de Sankey para Bomba Estudiada

Fuente: “Guía de Ahorro y Eficiencia Energética en el sector de la cerámica artística, de uso y técnica de la Comunidad Valenciana”

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Nótese que en el diagrama están expresados los porcentajes de pérdidas con respecto de la potencia absorbida de la red eléctrica por el motor, por lo que los valores resultantes están en perfecta armonía con los rendimientos de las distintas transformaciones. Como se puede observar, en este caso el rendimiento global del proceso de transformación de energía eléctrica en energía de presión y cinética del fluido es de un 71,66%.

6.2 Estimación del ahorro energético y económico de las medidas de EE. 6.2.1 Medida 1: Control

Durante la revisión anual del rendimiento de la operación de una planta de tratamiento de agua se notó que la bomba centrífuga estaba operando con 7m de altura sobre lo que se requiere para mantener el caudal. La medida adoptada fue reducir la velocidad de la bomba hasta la requerida por la altura de diseño.

Datos:

Los siguientes datos fueron obtenidos del registro diario del sistema:

Datos del Sistema

Caudal inicial fw1 340 m3/h Caudal corregido fw2 340 m3/h Altura de bomba inicial HdT1 35 m Altura de bomba corregido HdT2 28 m

Los siguientes datos relativos a la potencia del motor fueron medidos:

Datos Motor

Voltaje nominal Vr 575 volts Corriente nominal Ir 71 amps Voltaje medido V 580 volts Corriente medida I 48,3 amps Fase eléctrica Y 1,73 3Ø 1,73 2Ø 2 1Ø 1 Potencia de salida al eje 55,95 kW Factor de potencia nominal p.fr 0,88 decimal Factor de potencia medido p.f 0,85 decimal

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Fórmulas

Ratio de carga =IrxVrxpfr

IxVxpf

Reemplazando valores se obtiene el Ratio de carga:

Ratio de carga = 66,088,057571

85,05803,48 =xx

xx

Eficiencia del Motor

Figura 15 Factor de potencia y eficiencia eléctrica


De la Figura 15, se obtiene el valor de la eficiencia del motor Efm=0.91

Potencia eléctrica de entrada al motor : )(1000

KWVxIxYxpf

Wmi=

Donde Y es una “función de la fase”: 1,73 para 3 fases; 2 para 2 fases; 1 para 1 fase.

Potencia ideal de la bomba inicial : )(367

11 1 KW

xHdfwWp T=

Potencia ideal de la bomba corregida : )(367

22 2 KW

xHdfwWp T=

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El efecto de los cambios en el flujo de líquido y altura de la bomba total en la potencia del motor de la bomba se puede calcular multiplicando la potencia de entrada inicial por la relación de las potencias ideales de las bombas. La potencia del motor corregido a continuación, puede estimarse mediante la siguiente ecuación

Potencia de entrada del motor corregida : )(1

212 KW

Wp

WpxWmiWmi

= ; 1WmiWmi=

Ahorro de energía anual: )()21( KWhxhWmiWmi −

Ahorro económico anual : )/($)21( añoxhxCeWmiWmi −

Tabla resumen de los datos conocidos y los resultados encontrados, según fórmulas anteriores:

Medida : Control Datos Motor

Voltaje nominal Vr 575 volts Corriente nominal Ir 71 amps Voltaje medido V 580 volts Corriente medida I 48,3 amps Fase eléctrica Y 1,73 3Ø 1,73 2Ø 2 1Ø 1

Potencia de salida al eje nominal 55.95 kW Factor de potencia nominal pfr 0,88 Factor de potencia medido pf 0,85 ratio de carga 0,66 Eficiencia de motor Efm 0,91 Figura 15 Potencia eléctrica de entrada Wmi 41,19 kW Potencia de entrega al eje Wmo 37,49 kW

Datos de Bomba Caudal inicial fw1 340 m3/h Caudal corregido fw2 340 m3/h Altura de bomba inicial HdT1 35 m Altura de bomba corregida HdT2 28 m Tiempo total de operación h 3.600 h/año Costo de energía eléctrica Ce 64 $/kWh Potencia eléctrica de entrada Wmi1 41,19 kW Potencia de bomba inicial Wp1 32,43 kW Potencia de bomba corregido Wp2 25,94 kW Potencia eléctrica de entrada corregido

Wmi2 32,96 kW

Ahorro anual de energía 29.660,10 kWh Ahorro económico anual 1.898.247 $/año

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Esta medida no requiere de ninguna inversión por lo que la recuperación de capital es inmediata.

6.2.2 Medida 2: Uso de sellos mecánicos

Una bomba de agua tiene 51 mm de diámetro de eje y opera continuamente 8760 horas por año a 1750 rpm con una altura de descarga de 30m. Durante el mantenimiento anual se consideró el reemplazo del paquete de sellos por un sello mecánico que reduce las fugas de agua.

Datos

Datos

Tiempo de operación h 8.760 h/año Costo de energía eléctrica Ce 64 $/kWh Diámetro del eje D 51 mm RPM n 1.750 rpm

Altura de descarga Hdd 30 m

Fórmulas

Presión de descarga : )(81.9 KPaxHdP d=

)(29481.930 KPaxP ==

Potencia mecánica consumida por sellos/1000rpm:Ws1

Figura 16 Potencia mecánica consumida por eje Fuente: Energy Management Series 13 For industry commerce and institutions Fans

and Pumps.

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De la Figura 16, con la presión de descarga encontrada y el diámetro del eje, se obtiene el valor de la potencia mecánica consumida por sellos Ws1=0.065kW/1000 rpm

Potencia mecánica consumida por el eje: )(KWxWn

W SS 12 1000=

Potencia consumida por el paquete de sellos: )(KWxWW SS 623 =

Ahorro de energía anual: )()( KWhxhWW SS 33 −

Ahorro económico anual: )/($)( añoxhxCeWW SS 23 −


Medida : Sellos mecánicos Tiempo de operación 8.760 h/año Costo de energía eléctrica 64 $/kWh Diámetro del eje 51 mm RPM 1.750 rpm Altura de descarga 30 m Presión de descarga 294 kPa

Potencia mecánica consumida por sellos/1000 rpm (Ws1) 0,065

kW/1000 (Figura 16)

Potencia mecánica consumida por el eje (Ws2) 0,11 kW Potencia consumida por el paquete de sellos (Ws3) 0,68 kW Ahorro de energía anual 4.982,25 kWh Ahorro ecónomico anual 318.864 $/año

Si, los costos estimados por la instalación de los sellos mecánicos es de $583.0006.

El tiempo de retorno de la inversión: Inversión inicial /Ahorro anual

El tiempo de retorno de la inversión: $583.000/318.864=1,8 años

6 “Energy Management Series 13 For industry commerce and institutions Fans and Pumps”

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6.2.3 Medida 3: Reducción de caudal

Una planta industrial utiliza una bomba centrifuga de agua helada. Cambios en la operación originaron que ciertos procesos con un caudal de 12 m3/h fueran eliminados. Por lo que se requiere redimensionar el sistema para el nuevo caudal efectivo de bombeo.

El caudal inicial de diseño es 125 m3/h a 70 m de altura de bomba. El tiempo de operación es de 2100 horas por año. La lectura de la presión tanto en la descarga como en la succión confirmaron que se requiere rediseñar el sistema. Se realizó también la comparación entre los datos de placa de motor y los que se obtienen en las lecturas de los medidores.

Datos:


Datos Motor

Voltaje nominal Vr 575 volts Corriente nominal Ir 47,1 amps Voltaje medido V 578 volts Corriente medida I 40,02 amps Fase electrica Y 1,73 3Ø 1,73 2Ø 2 1Ø 1 Potencia de salida al eje 37,3 kW Factor de potencia nominal p.fr 0,88 decimal Factor de potencia medido p.f 0,87 decimal

Los siguientes datos fueron obtenidos del registro diario del sistema

Datos de la bomba

Caudal inicial fw1 125 m3/h Caudal corregido fw2 113 m3/h Altura de bomba inicial HdT1 70 m Diámetro del impulsor D1 197 mm Tiempo total de operación h 2100 h/año Costo de energía eléctrica Ce 64 $/kWh

Fórmulas


IxVxpf

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Ratio de carga = 84,088,05751,47

87,057802,40 =xx

xx





Potencia eléctrica de entrada al motor: )(1000

KWVxIxYxpf

Wmi=

Potencia de salida al eje del motor: )(KWWmixEfWmo m=

WmiWmi =1 ; WmoWmo =1

Eficiencia de transmisión: Efd

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Figura 18 Pérdidas de Conducción


De la Figura 18 por transmisión directa Efd=1

Altura de bomba corregida: )(1

22

12 mFw

FwxHdHd tT

=

Potencia de entrada al eje inicial de la bomba: )(11 KWxEfWmoWpi d=

Diámetro corregido: )(5.0

1

212 mm

Hd

HdxDD

T

T

=

Potencia de entrada al eje de la bomba corregida: )(3

1

212 KW

D

DxWpWp ii

=

Potencia de salida del motor corregida: )(121

2 KWWp

WpxWmiWmi

i

i

=


Sistemas de Bombeo


Ahorro económico anual: )/($)21( añoxhxCeWmiWmi −


Medida : Disminuir el caudal Datos Motor

Voltaje nominal Vr 575 volts Corriente nominal Ir 47,1 amps Voltaje medido V 578 volts Corriente medida I 40,02 amps Fase eléctrica Y 1,73 3Ø 1,73 2Ø 2 1Ø 1 Potencia de salida al eje 37,3 kW Factor de potencia nominal p.fr 0,88 Factor de potencia medido p.f 0,87 ratio de carga 0,84 Eficiencia de motor Efm 0,92 Figura 16 Potencia eléctrica de entrada Wmi 34,82 kW Potencia de entrega al eje Wmo 32,03 kW

Datos Bomba Caudal inicial Fw1 125 m3/h Caudal corregido Fw2 113 m3/h Altura de bomba inicial HdT1 70 m Diámetro del impulsor D1 197 mm Tiempo total de operación h 2.100 h/año Costo de energía eléctrica Ce 64 $/kWh Potencia eléctrica de entrada Wmi1 34,82 kW Potencia de entrega al eje Wmo1 32,03 kW Eficiencia de transmisión Efd 1,00 Figura 17 Altura de bomba corregida HdT2 57,21 m Inicial potencia de entrada al eje de la bomba Wpi1 32,03 kW Diámetro corregido del impulsor D2 178 mm Potencia de entrada al eje de la bomba corregida

Wpi2 23,66 kW

Potencia de entrada al motor corregida Wmi2 25,72 kW Ahorro anual de energía 19.099,58 kWh Ahorro económico anual 1.222.373 $/año

El costo estimado del nuevo equipo es de $1.325.0007



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Tiempo de retorno= $ 1.325.000/1.222.373=1,1 años

6.2.4 Medida 4: Uso de variadores de velocidad

Un centro comercial tiene sistema de aire acondicionado que funciona 4.518 horas al año. Durante este período, en el sistema central de agua, los requerimientos del caudal son de 115m3/h, a 38m de altura del sistema, hasta 35 m3/h, a 10 m de altura total del sistema. La bomba es centrífuga y de velocidad constante. El efecto inicial de cerrar el caudal de agua caliente en el sistema de aire local es la causa de que la bomba principal esté con 42 m de altura de bomba; a esta altura le corresponde un caudal de 71.7 m3/h.

La medida propuesta es la instalación de un variador de velocidad.

Datos:


Datos Motor

Voltaje nominal Vr 575 volts Corriente nominal Ir 29 amps Voltaje medido V 580 volts Corriente medida I 20,53 amps Fase eléctrica Y 1,73 3Ø 1,73 2Ø 2 1Ø 1 Potencia de salida al eje nominal kW Factor de potencia nominal p.fr 0,88 decimal Factor de potencia medido p.f 0,79 decimal

Los siguientes datos fueron obtenidos del registro diario del sistema

Datos Bomba

Caudal inicial fw1 71,7 m3/h Caudal corregido fw2 35 m3/h Altura de bomba inicial HdT1 42 m Altura de bomba corregido HdT2 10 m Tiempo total de operación h 4518 h/año Costo de energía eléctrica Ce 64 $/kWh

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Fórmulas


IxVxpf

Ratio de carga = 64,088,057529

79,058053,20 =xx

xx






KWVxIxYxpf

Wmi=

Potencia ideal de la bomba inicial: )(367

11 1 KW

xHdfwWp T=

Potencia ideal de la bomba corregida: )(367

22 2 KW

xHdfwWp T=

Potencia de entrada del motor corregida: )(1

212 KW

Wp

WpxWmiWmi

= ; 1WmiWmi=

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Medida : Instalar un variador de velocidad Datos Motor

Voltaje nominal Vr 575 volts Corriente nominal Ir 29 amps Voltaje medido V 580 volts Corriente medida I 20,53 amps Fase eléctrica Y 1,73 3Ø 1,73 2Ø 2 1Ø 1 Potencia de salida al eje nominal - kW Factor de potencia nominal p.fr 0,88 decimal Factor de potencia medido p.f 0,79 decimal ratio de carga 0,64 Eficiencia de motor Efm 0,91 Figura 18 Potencia eléctrica de entrada Wmi 16,27 kW Potencia de entrega al eje Wmo - kW

Datos Bomba Caudal inicial fw1 71,7 m3/h Caudal corregido fw2 35 m3/h Altura de bomba inicial HdT1 42 m Altura de bomba corregido HdT2 10 m Tiempo total de operación h 4.518 h/año Costo de energía eléctrica Ce 64 $/kWh Potencia eléctrica de entrada Wmi1 16,27 kW Potencia de bomba inicial Wp1 8,21 kW Potencia de comba corregido Wp2 0,95 kW Potencia eléctrica de entrada corregido

Wmi2 1,89 kW


El costo estimado de instalar un variador de velocidad es de $6.890.0008


El tiempo de retorno es =$6.890.000/$4.158.704=1,6 años



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6.2.5 Medida 5: Instalar una bomba más eficiente

Una bomba centrifuga de baja eficiencia que ha operado por 30 años en una planta de tratamiento de agua será reemplazada por otra de alta eficiencia.

Las mediciones indican que la bomba ha estado operando a 90,7 m3/h y 49m de altura total de bomba. La nueva bomba seleccionada tiene una eficiencia de 77% y una potencia de entrada al eje de 15,73 kW en iguales condiciones de operación que la anterior. La nueva bomba es impulsada por un motor de 18,65 kW y una eficiencia de 93% y un factor de potencia de 0,85.

Datos:

Datos medidos relativos al motor:

Datos Motor

Voltaje nominal Vr 575 volts Corriente nominal Ir 38,6 amps Voltaje medido V 570 volts Corriente medida I 34 amps Fase eléctrica Y 1,73 3Ø 1,73 2Ø 2 1Ø 1 Potencia de salida al eje nominal - kW Factor de potencia nominal p.fr 0,85 decimal Factor de potencia medido p.f 0,80 decimal

Datos relativos a la bomba:

Datos Bomba

Caudal inicial fw1 90,7 m3/h Altura de bomba inicial HdT1 49 m Tiempo total de operación h 8760 h/año Costo de energía electrica Ce 64 $/kWh Potencia de entrada al eje de la bomba corregida Wpi2 15,73 kW

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Fórmulas


IxVxpf

Ratio de carga = 82,085,05756,38

80,057034 =xx

xx


Figura 20 Factor de potencia y eficiencia eléctrica Fuente: Energy Management Series 13 For industry commerce and institutions Fans

and Pumps.



KWVxIxYxpf

Wmi=

Potencia de salida al eje del motor: )(KWWmixEfWmo m=

Potencia de entrada del motor corregida: )(2 2 KWxEfEf

WpWmi

dm

i

= ;

2iWp =Potencia de la nueva bomba (Curva del fabricante)

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Medida : Instalar una bomba más eficiente Datos Motor

Voltaje nominal Vr 575 volts Corriente nominal Ir 38.6 amps Voltaje medido V 570 volts Corriente medida I 34 amps Fase eléctrica Y 1,73 3Ø 1,73 2Ø 2 1Ø 1

Potencia de salida al eje nominal kW Factor de potencia nominal pfr 0,85 Factor de potencia medido pf 0,80 ratio de carga 0,82 Eficiencia de motor Efm 0,92 Figura 19 Potencia eléctrica de entrada Wmi 26,82 kW Potencia de entrega al eje Wmo 24,68 kW

Datos Bomba Caudal inicial fw1 90,7 m3/h Altura de bomba inicial HdT1 49 m Tiempo total de operación h 8.760 h/año Costo de energía eléctrica Ce 64 $/kWh Potencia eléctrica de entrada Wmi1 26,82 kW Potencia de entrada al eje de la bomba corregida

Wpi2 15,73 kW (curvas del fabricante)

Eficiencia de conducción Efd 0,96 Figura 17 Potencia eléctrica de entrada corregido Wmi2 17,8 kW


El costo estimado de la instalación de una nueva bomba es US$2.650.0009


El tiempo de retorno es =$2.650.000/$5.451.716= 0,5 años



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6.2.6 Medida 6: Cambio del tamaño del motor

Durante una auditoría energética a un motor de 7.5 kW se detectó que bajo las condiciones normales requiere sólo de 2.25 kW de potencia de salida.

Datos:

Datos medidos relativos al motor:

Datos Motor

Voltaje nominal Vr 575 volts Corriente nominal Ir 8 amps Voltaje medido V 575 volts Corriente medida I 5,03 amps Fase eléctrica Y 1,73 3Ø 1,73 2Ø 2 1Ø 1 Factor de potencia nominal p.fr 0,88 decimal Factor de potencia medido pf 0,6 decimal

Fórmulas


IxVxpf

Ratio de carga= 43,088,05758

6,057503,5 =xx

xx



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De la Figura 21, se obtiene el valor de la eficiencia del motor actual (el que se desea cambiar) Efm=0.87

El costo estimado por la instalación de un motor es de $260.00010


El tiempo de retorno es $260.000/$148.163=1,8 años

10

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7. RELACIÓN DE TÉRMINOS TÉCNICOS.

Altura (H): Una medida de la presión (expresada en metros) que indica la altura de una columna del sistema del líquido que tiene un importe equivalente del potencial de la energía.

Altura Piezométrica: Es la altura que marcaría un tubo piezométrico conectado verticalmente en un punto de un fluido. Dicha Altura es equivalente a la presión del fluido en el que está conectado el tubo piezométrico.

Bomba: Dispositivo empleado para elevar la presión de un líquido, habitualmente agua, e impulsarlo en una dirección determinada. Es un generador hidráulico que transforma la energía mecánica en energía de presión y cinética del fluido trasegado.

Cavitación: La cavitación o aspiración en vacío es un efecto hidrodinámico que se produce cuando el agua o cualquier otro fluido en estado líquido pasa a gran velocidad por una arista afilada, produciendo una descompresión del fluido debido a la conservación de la constante de Bernoulli (Principio de Bernoulli). Puede ocurrir que se alcance la presión de vapor del líquido de tal forma que las moléculas que lo componen cambian inmediatamente a estado de vapor, formándose burbujas o, más correctamente, cavidades. Las burbujas formadas viajan a zonas de mayor presión e implotan (el vapor regresa al estado líquido de manera súbita, “aplastándose” bruscamente las burbujas) produciendo una estela de gas y un arranque de metal de la superficie en la que origina este fenómeno.

Cebado: Consiste en llenar de líquido la tubería de succión y la carcasa de la bomba, para facilitar la succión de líquido, evitando que queden bolsas de aire en el interior.

Diagrama de Sankey: Representación gráfica de la energía entrante y saliente en un equipo o proceso.

Eficiencia: Véase “Rendimiento”.

Energía (KWh.): Significa kilovatio hora. Es una unidad de medida de la energía eléctrica activa.

Estrangular: Dificultar o impedir el paso por una vía o conducto. Cerrar un poco una válvula para impedir la circulación normal del fluido.

Factor de potencia: Es una medida del ángulo de desfase generado por un dispositivo eléctrico. Los motores funcionando a baja carga tienden a generar un alto desfase y un factor de potencia bajo.

Facturación de energía activa: La facturación por energía activa se obtendrá multiplicando el o los consumos de energía activa, expresado en KWh., por el respectivo cargo unitario.

Golpe de ariete: Se denomina golpe de ariete al choque violento que se produce sobre las paredes de un conducto forzado, cuando el movimiento líquido es modificado bruscamente. En otras palabras, el golpe de ariete se puede presentar en una tubería que conduzca un líquido hasta el tope, cuando se tiene un frenado o una aceleración

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en el flujo; por ejemplo, el cambio de abertura en una válvula en la línea. Al cerrarse rápidamente una válvula en la tubería durante el escurrimiento, el flujo a través de la válvula se reduce, lo cual incrementa la carga del lado aguas arriba de la válvula, iniciándose un pulso de alta presión que se propaga en la dirección contraria a la del escurrimiento.

Caballos de fuerza (HP): Una medida de la obra o flujo de energía por unidad de tiempo, la velocidad a la que la energía es consumida o generada.

NPSHD: Altura Positiva Neta de Succión Disponible indica cuánto excede la succión de la bomba a la presión de vapor de líquido, y es una característica del diseño del sistema.

NPSHR: Altura Positiva Neta de Succión requerida por el sistema para evitar la cavitación y es una característica del diseño de la bomba.

Potencia activa (KW): Significa la potencia requerida para efectuar trabajo a la velocidad de un kilo joule por segundo. Es la unidad de medida de la potencia eléctrica activa.

Punto de máximo rendimiento: Se define como el caudal y la altura en los cuales se presenta la máxima eficiencia de la bomba.

Rendimiento: Relación entre la energía útil obtenida y la energía total consumida por un equipo. Suele expresarse en tanto por ciento.

Rendimiento de la bomba: Es la relación entre la potencia hidráulica agregada por la bomba al fluido y la potencia eléctrica consumida por el motor.

Variador de velocidad (o de frecuencia): Dispositivo electrónico que regula la frecuencia y tensión aplicadas a un motor, logrando modificar su velocidad.

Velocidad específica: Un índice utilizado para medir el rendimiento de una turbina, representa la velocidad necesaria para una bombear un galón por minuto en contra de un pie de altura y se define por la ecuación:

Velocidad específica de aspiración: Un índice que se utiliza para describir las condiciones de entrada de una bomba, está definida por la ecuación:

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8. REFERENCIAS.

• “Energy Management Series 13 For industry commerce and institutions Fans and Pumps” Business and Government Energy Management Division Departament of Energy, Mines and Resources

• “Energy Efficiency Guide for Industry in Asia Eléctrical Energy Equipment: Pumps and Pumping Systems” www.energyefficiencyasia.org

• “Improving Pumping System Performance A Sourcebook for Industry” Second Edition Prepared for the United States Department of Energy - Office of Energy Efficiency and Renewable Energy - Industrial Technologies Program

• “Guía de Ahorro y Eficiencia Energética en el sector de la cerámica artística, de uso y técnica de la Comunidad Valenciana” AVEN - Agencia Valenciana de la Energía.

• “Energy Efficiency Best Practice Guide Pumping Systems” Sustainability Victoria www.resourcesmart.vic.gov.au

• “Energy Savings in industrial water puping system” Enviroment Transport Regiones

• “Variable Speed Driven Pumps - Best Practice Guide” AUTOMATION INSTRUMENTATION & CONTROL LABORATORY TECHNOLOGY ACTION ENERGY BPMA-THE PUMB INDUSTRY ASSOCIATION

• “Selección Fina de Bombas”, Cátedra de Construcciones Hidráulicas, Ing. Luis E. Pérez Farrás.

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9. ANEXOS.

9.1 Principios del sistema de bombas

El principio de funcionamiento de un sistema de bombas es el siguiente:

Al encender el sistema de bombeo, el rotor de la bomba empieza a girar; es en ese momento que la bomba succiona el fluido de trabajo. El fluido de trabajo es succionado por lo general de un pozo que se encuentra a cierto desnivel. El fluido ingresa al sistema por medio de la tubería de aspiración y luego ingresa a la bomba donde el rotor le trasfiere cierto impulso. Es en ese momento donde se lleva a cabo la transformación de la energía mecánica en energía hidráulica. Posteriormente, el fluido sale por la tubería de impulsión y continúa su recorrido por el sistema de tuberías llegando a su lugar de destino.

9.1.1 Gasto Volumétrico (Q)

Es el volumen por unidad de tiempo del fluido de trabajo. El gasto se puede expresar como el producto de la velocidad del fluido por el área transversal del ducto por el que fluye.

VxAfw =

Donde:

fw=Gasto Volumétrico (m3/s.)

V=Velocidad del fluido (m/s.)

A=Área transversal de la tubería (m2)

9.1.2 Potencia de la bomba

Es la energía requerida para transportar un fluido por unidad de tiempo:

3600

xgxHxfWp W ρ

=

Donde:

Wp=Potencia de la bomba (kW.)

fw =Caudal (m3/h.)

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H = Altura de la bomba (m.)

ρ=densidad (kg/m3)

g=gravedad (m/s2)

1/3600=factor de conversión de horas a segundos

9.1.3 Eficiencia de la bomba

3600Wpix

xgxHxfEf W ρ

=

Donde:

Ef: Eficiencia de la bomba (%)

fw: Caudal (m3/h.)

H: Altura de la bomba (m.)

Wpi: Potencia de entrada de la bomba (kW.)

ρ=densidad (kg/m3)

g=gravedad (m/s2)

1/3600=factor de conversión de horas a segundos

9.1.4 Altura Neta Positiva de succión disponible (NPSH) disponible

Es la presión por encima de la presión de vapor de un líquido medido en el punto de succión.

fssv

DISPONIBLE hhg

p

g

pNPSH −±

∗−

∗=

ρρ1

Donde:

p1=presión absoluta en la aspiración (Pa.)

pv=presión de vapor (absoluta) (Pa.)

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hs=altura de aspiración estática (m.)

hfs=pérdida de presión en la aspiración (m.)

ρ= densidad (kg/m3)

g=9.81 (m/ s2)

9.1.5 Altura Neta Positiva de succión requerida (NPSH) requerido

Los fabricantes de bombas siempre declaran el NPSHreq (requerido). Consiste en una caída de presión local que se tiene lugar en la entrada al impulsor. El NPSHdisponible debe ser siempre mayor que el NPSHrequerido.

requeridoDISPONIBLE NPSHNPSH >

Figura 22 NPSH

Fuente: http://62.119.79.79:81/docushare/dsweb/Get/Document-13357/Folleto+C%C3%A1lculo+p%C3%A9rdidas+de+carga.pdf

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9.1.6 Curvas características

Se obtienen de forma experimental, mediante ensayos en el laboratorio por el fabricante. Las principales son:

H vs. Q (Altura vs. Caudal)

P vs. Q (Potencia vs. Caudal)

N vs. Q (Eficiencia vs. Caudal)

Figura 23 Curvas características de una bomba

Fuente: “Guía de Ahorro y Eficiencia Energética en el sector de la cerámica artística, de uso y técnica de la Comunidad Valenciana”

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Figura 24 Punto de funcionamiento de la instalación


Según la Figura 24 Punto de funcionamiento de la instalación, el punto de funcionamiento está definido por el punto en el que se intersectan las curvas del sistema (instalación) y la de la bomba y queda definido Q0 y H0 como el caudal y altura de bombeo.

En el capítulo se explicará con mayor detalle cómo se hace uso de las curvas características para la correcta selección de una bomba.

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9.1.7 Conexiones entre bombas

9.1.7.1 En serie

Si a la salida de una bomba se conecta la entrada de otra, las características de caudal y altura se obtienen sumando la altura para un mismo caudal de cada bomba, como se muestra en la Figura 25.

Figura 25 Conexión en serie


9.1.7.2 En paralelo

Figura 26 Conexión en paralelo


Si dos bombas se instalan en paralelo para que sus caudales de aportación alimenten una salida en común, entonces la característica del sistema puede ser resultado de sumar los caudales de cada bomba para el mismo valor de altura, como se ilustra en la Figura 26 Conexión en paralelo. Esta técnica es válida para dos o más bombas, incluso si son diferentes.

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9.1.8 Conexión de bomba con el sistema de tuberías

Suministrar agua a su destino exige algún tipo de sistema de tuberías. Para conducir el agua a través de la tubería, la presión generada en la descarga de la bomba debe superar la resistencia del sistema de tuberías del sistema y la resistencia para elevar el agua a través de cualquier diferencia de altura entre el nivel de succión de agua y el nivel de suministro de agua. Si no hay diferencia de altura, la resistencia del sistema es puramente por fricción y el flujo a través de la tubería variará según la Figura 27

Figura 27 Sistema sólo con pérdidas de fricción


Para la mayoría de los sistemas habrá alguna diferencia de altura entre los niveles de agua de la aspiración de la bomba y la distribución. La bomba no entregará ningún flujo hasta que se ha desarrollado una presión suficiente para superar la presión debida a la altura del agua, es decir, la carga estática. Los dos componentes son añadidos y la resistencia del sistema combinado es como se muestra en la figura 28.

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Figura 28 Sistema incluyendo pérdidas por fricción y altura estática


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9.1.9 Aplicaciones en la industria

Tabla 3 Aplicaciones Industriales

Bombas de desplazamiento

positivo

Figura 29 Bomba de desplazamiento positivo

• Industria de bebidas y alimentos. • Industria pesquera. • Agroindustria. • Tratamiento de aguas y lodos residuales.

• Industria petroquímica • Químicas y pintura. • Minería (Reactivos y floculantes)

Bombas de engranajes

externos y triple tornillo

Figura 30 Bomba de engranajes

• Bombeo de aceites y combustibles derivados del petróleo, asfalto, melaza, mieles, tintas.

• Procesos químicos, ácidos, solventes, pinturas

• Sistemas de lubricación, inyección de aditivos.

• Como componentes de unidades hidráulicas

• Alimentación de quemadores

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Bombas de alta presión

Figura 31 Bomba de alta presión vertical y

horizontal

• Alimentación de agua a calderas • Sistemas de agua a presión constante

• En equipos contra incendio • Sistema de osmosis inversa • Tratamiento de agua (filtrado y desmineralización)

• Bombeo de líquidos agresivos como agua de mar, agua clorada

Bombas multietápicas y

de carcasa partida

Figura 32 Bombas multietápica horizontal

• Suministro de agua municipal • Irrigación • Sistema contra incendio • Industria minera • Estación de energía • Industria en general

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Bombas centrifugas,

lobulares y tipo pistón

circunferencial externo

Figura 33 Bomba lobular

Figura 34 Bomba de pistón circunferencial externo

• Industria alimenticia: saborizantes, aceites grasas, pasta de tomate, cremas vegetales trozadas, mermeladas, mayonesa, chocolate, levadura, etc.

• Industria de cosmético: cremas lociones, tintes y alcoholes, aceites, etc.

• Industria de bebidas: leche cerveza, aguardientes, concentrados de fruta, jugos, etc.

Fuente: Hidrostal: Bombas para procesos industriales 2009

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9.2 Mantenimiento de los Sistemas de Bombeo

9.2.1 Bomba

Hacer el mantenimiento respectivo , poniendo atención en los siguientes puntos :

Tolerancias

• La eficiencia de la bomba se ve afectada por la cantidad de fugas en el impulsor.

• La alta presión desarrollada en la descarga del impulsor puede generar un contraflujo para un área de menor presión.

• La erosión por partículas abrasivas pueden afectar a espacios libres. • Recirculación debe mantenerse a un mínimo para que la bomba funcione

de manera eficiente.

Sellos

• Los sellos deben ser revisadas periódicamente para el ajuste correcto. • Controlar la estanqueidad del sello por el control de la velocidad de

goteo; los sellos por lo general deberá presentar fugas ligeramente para la lubricación y refrigeración.

• Apretar en exceso puede provocar un desgaste excesivo en el sello del eje, provocando daños mecánicos y pérdida de energía.

Revestimientos

• Recubrimientos especiales se pueden aplicar para reparar las picaduras y así reducir las pérdidas por fricción.

9.2.2 Motor

Limpieza

• La suciedad ataca el aislamiento de un motor a través de la abrasión y / o absorción. Se pueden contaminar los lubricantes y dañar los rodamientos. La acumulación de suciedad en la caja del motor, ventilador y aberturas de entrada aumenta la temperatura del motor, lo que reduce la eficiencia y acorta la vida del motor.

Lubricación

• Motores más grandes requieren tener un periódico engrase. Un problema es el exceso de lubricación, lo que provoca un aumento de la fricción, lo que lleva al fracaso. Limpie los accesorios antes de inyectar la grasa con el fin de evitar la contaminación.

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Vibración

• Un notable aumento o cambio en la vibración del motor es una indicación de un problema de rodamiento, desequilibrio de la carga, un eje doblado, un desalineamiento de acoplamiento o irregularidades eléctricas. La tensión de la transmisión y la alineación incorrecta puede aumentar el consumo de energía y disminución de la vida del motor.

Pruebas de tensión

• Los motores que operan fuera de un rango de diseño de más o menos 10% del voltaje nominal pueden funcionar con menor eficacia y tener una vida de motor más corto. Diferentes voltajes de fase puede causar que corrientes del rotor extremadamente grandes, resultando en temperaturas más altas y espectacular aumento de las pérdidas del motor. Medir y registrar el voltaje en los terminales del motor mientras la máquina se carga. La comparación de las mediciones con las normas establecidas puede ayudar a identificar problemas.

Pruebas de aislamiento

• Las pruebas de resistencia de los motores fundamentales de manera sistemática es una prueba importante de predicción que puede revelar la degradación del aislamiento. Las lecturas deben tomarse una o dos veces al año.

9.2.3 Mantenimiento según tipo

Para poder hacer una buena gestión de mantenimiento de los sistemas de bombeo y lograr que el sistema sea eficiente y duradero, se sugiere los siguientes tipos de mantenimiento:

9.2.3.1 Mantenimiento Preventivo

Elaborar un plan de mantenimiento preventivo incluyendo en él actividades y frecuencias de realización, que dependerán del tipo de proceso de la industria y de la intensidad en el uso del sistema. Este plan debe ser elaborado para cada componente del sistema. La siguiente tabla muestra el plan de mantenimiento para un sistema de bombeo de agua (bomba centrífuga)

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Tabla 4 Plan de mantenimiento de una bomba centrífuga

COMPONENTE ACTIVIDAD FRECUENCIA EQUIPO COMPLETO

Verificar la alineación

Verificar estado físico de flecha

90 días

90 días BOMBA Verificar temperatura de cojinetes

Lubricación de cojinetes

Empacar presa estopa

Revisar impulsor

Revisar caja o cuerpo

15 días

30 días

30 días

180 días

180 días MOTOR Lectura de voltaje y amperaje

Verificar elementos térmicos

Limpieza de arrancador

Limpieza de interruptor de seguridad

Verificar temperatura de cojinetes

Lubricar cojinetes

Cambio de baleros

Lavado interior y rebarnizado

15 días

30 días

30 días

30 días

15 días

30 días

360 días

180 días

Fuente: Guía de mantenimiento y operación de bombas centrífugas Instituto de seguridad y servicios sociales de los trabajadores de estado

Subdirección de Conservación y Mantenimiento de la Subdirección General Médica-México

Departamento de Ingeniería Electromecánica Las actividades pueden ser las siguientes: • Inspeccionar periódicamente el rodete de la bomba, debido a que muchas veces

el rodete puede deteriorarse por el fenómeno de cavitación.

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A continuación se describen los síntomas generales más comunes:

Figura 35 Impulsor afectado por la cavitación

o Reducción de la capacidad de bombeo:

Las burbujas ocupan un volumen que reduce el espacio disponible para el líquido y esto disminuye la capacidad de bombeo. Por ejemplo, cuando el agua pasa del estado líquido al de vapor su volumen aumenta en aproximadamente 1700 veces. Si la generación de burbujas en el ojo del impulsor es suficientemente grande, la bomba se puede ‘ahogar’ y quedar sin nada de succión con una reducción total del flujo. La formación y colapso de las burbujas es desigual y disparejo, esto genera fluctuaciones en el flujo y el bombeo se produce en chorros intermitentes. Este síntoma es común a todos los tipos de de cavitación.

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o Disminución en la altura de la bomba:

A diferencia de los líquidos, las burbujas son compresibles. La altura desarrollada por la bomba disminuye drásticamente debido a que se gasta energía en aumentar la velocidad del líquido empleado en llenar las cavidades que dejan las burbujas colapsadas. Lo mismo que la reducción en capacidad, este síntoma es común a todos los tipos de cavitación.

Por lo tanto, el efecto hidráulico de la cavitación en una bomba es que su funcionamiento cae fuera de la curva de desempeño esperada, produciendo una cabeza y flujo más bajo que el correspondiente a su condición normal de operación

o Vibración y Ruido anormal:

El desplazamiento de las burbujas a muy alta velocidad desde el área de baja presión hacia una zona de alta presión y el subsiguiente colapso crea ondas de choque que producen ruidos y vibraciones anormales. Se estima que durante el colapso de las burbujas se desarrollan ondas de choque con presiones del orden de 104 atmósferas.

El sonido de la cavitación puede describirse como algo similar a pequeñas partículas duras chocando o rebotando rápidamente en el interior de una bomba o válvula. Se usan varios términos para describirlo; traqueteo, golpeteo, crepitación, etc. El ruido de una bomba cavitando va desde el golpeteo grave y uniforme (como sobre una puerta) hasta una crepitación aguda y errática (similar a un impacto metálico). El ruido de cavitación pude confundirse fácilmente con el de un rodamiento en mal estado. Para distinguir si el ruido es debido a un rodamiento o a cavitación basta con operar la bomba sin flujo, si el ruido desaparece quiere decir que existe cavitación.

La vibración se debe al efecto de cargas disparejas actuando sobre el impulsor y que son generadas por una mezcla no uniforme de líquido y vapor, así como por las ondas de choque por el colapso de las burbujas. En los manuales existe muy poco acuerdo sobre las características de la vibración primaria asociada con la cavitación en las bombas centrifugas. La formación y colapso de las burbujas se alternará periódicamente con la frecuencia resultante de la velocidad y numero de alabes. Algunos sugieren que la vibración asociada con la cavitación produce un pico de banda ancha a frecuencias sobre 2000.Herz.

Otros sugieren que la cavitación sigue la frecuencia de paso del alabe (numero de alabes por la frecuencia de la velocidad de rotación). Otros indican que afecta a la amplitud de la vibración pico. Todas estas indicaciones pueden ser correctas, ya que la cavitación en la bomba puede producir varias frecuencias de vibración dependiendo del tipo de cavitación, diseño de la bomba,

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instalación y aplicación. La vibración excesiva por cavitación comúnmente produce fallas en los sellos y/o rodamientos. Este es el modo de falla más probable en una bomba cavitando.

o Daños a los componentes

Erosión o picaduras

Durante la cavitación el colapso de las burbujas ocurre a velocidades sónicas eyectándose micro chorros de líquido a altísima velocidad (sobre 1000 m/s) con una fuerza suficiente para erosionar componentes de la bomba, particularmente el impulsor. La burbuja es presionada para colapsar desde todos lados, pero si la burbuja está apoyada sobre una pieza de metal como puede ser el impulsor o la voluta, no puede colapsar desde ese lado.

Entonces el fluido se mete por el lado opuesto con su alta velocidad y explota contra el metal creando la impresión de que la superficie metálica fue golpeada con un martillo de bola. El daño empieza a hacerse visible en la forma de hendiduras o ‘pits’, las cuales son deformaciones plásticas muy pequeñas (micrométricas). El daño causado por el colapso de las burbujas se conoce comúnmente como erosión o picaduras (pitting) por cavitación.

Nota.- Si el fluido contiene pequeñas partículas sólidas erosivas (como en bombeo de pulpas minerales), el daño se puede acelerar considerablemente por el efecto de las partículas impulsadas por los pequeños vórtices que se forman en las incipientes picaduras.

La erosión por colapso de burbujas ocurre primeramente como una fractura por fatiga, debido a la repetición de implosiones sobre la superficie, seguida de desprendimiento de material. El efecto es muy similar al de una operación de arenado. Las bombas de alta cabeza son más proclives a sufrir erosión por cavitación, (la fuerza de impacto de las implosiones es mayor), por lo que es un fenómeno más típico de las bombas de “alta energía”.

Las áreas más sensitivas a la erosión por cavitación se observan en los lados de baja presión de los alabes del impulsor, cerca de los bordes de entrada. Sin embargo, los daños en el impulsor pueden estar más o menos diseminados. Las picaduras también se han observado en otros puntos de los alabes de impulsión, en los alabes difusores y en la periferia del impulsor. En ocasiones, la cavitación ha sido suficientemente severa para producir perforaciones y dañar los alabes hasta un grado que hace al impulsor completamente inefectivo.

El daño es evidente cerca de la arista externa del impulsor. En esta parte es donde el impulsor desarrolla la presión más alta. Esta presión implota las burbujas cambiando el estado del agua desde gas (vapor) a líquido. Cuando la cavitación es menos severa, el

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daño puede ocurrir más cerca del ojo del impulsor.

Deformaciones Mecánicas:

Además de la erosión de los componentes, en bombas grandes, la cavitación prolongada puede causar desbalance (debido a una distribución desigual en la formación y colapso de las burbujas) de los esfuerzos radiales y axiales sobre el impulsor. Este desbalance comúnmente lleva a los siguientes problemas mecánicos:

− Torcedura y deflexión de los ejes − Daño a los rodamientos y roces por la vibración radial − Daño en el rodamiento de empuje por movimiento

axial − Rotura de la tuerca de fijación del impulsor (cuando

la usa) − Daño en los sellos

Las deformaciones mecánicas pueden arruinar completamente a la bomba y requerir reemplazo de partes. El costo de tales reemplazos puede ser enorme.

Corrosión con cavitación

Frecuentemente la cavitación esta combinada con corrosión. La implosión de las burbujas destruye las capas protectoras dejando a la superficie del metal permanentemente activada para el ataque químico. En esta condición el material puede sufrir un daño considerable aun con niveles bajos de cavitación. La severidad de la erosión puede acentuarse si el líquido mismo tiene agentes corrosivos, como agua con ácidos o gran cantidad de oxigeno disuelto.

Fuente: Cavitación: Un ataque al corazón de la bomba Boris Cisneros H, Consultor

• Limpiar químicamente todas las tuberías por donde pasa el fluido, ya que

siempre se adhieren impurezas a las paredes, las que aumentan las pérdidas de presión, trayendo consigo un trabajo ineficiente de la bomba.

• Cambiar las empaquetaduras de las bombas y del sistema, para evitar las pérdidas de presión.

• Ajustarlas piezas del sistema, ya que continuamente se aflojan debido a la vibración, y esto puede ocasionar daños mayores.

• Inspeccionar las uniones bridadas y los sellos de las tuberías, porque se pierde presión en el sistema al existir fugas.

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Ejemplo: A continuación se detalla una tecnología que nos permite detectar fugas de un fluido en un ducto.

ATMOSPIPE

AtmosPipe detecta fugas analizando datos de flujo y presión usando técnicas estadísticas. Atmos distingue entre una fuga y cambios ordinarios de operación usando métodos de reconocimiento de patrones.

TECNOLOGIA

Figura 36 Esquema de un Sistema de Bombeo

Considere un ducto simple entre dos tanques. En la entrada hay una bomba, un medidor de flujo, una válvula de control y un medidor de presión. En la salida hay un medidor de presión, una válvula de control y un medidor de flujo. Si calibramos cualquiera de los dos medidores en el área de trabajo para medir exactamente lo mismo irremediablemente cuando estos son instalados en el ducto, las medidas de flujo terminan siendo diferentes. Esto es cierto en cualquier ducto y, por consiguiente, siempre habrá una diferencia en el flujo si se realiza detección de fugas utilizando solamente el balance de masas.

Si dibujamos el flujo contra la presión del ducto cuando la bomba es encendida, el flujo en la entrada se verá como la línea verde. El flujo en la salida se verá como la línea azul.

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Figura 37 Variación en el Tiempo de la Presión en el Ducto

Ahora vemos que cuando se enciende la bomba hay una gran diferencia en el flujo como se puede observar en el área roja. En sistemas que usan solamente el balance de masas, esto ocasionaría una falsa alarma. Atmos corrige la diferencia del flujo para incluir la presión e inventario y así previene falsas alarmas.

Durante el arranque de la bomba, la diferencia en el flujo es grande porque la presión está aumentando.

Debido a esto, la compensación de presión e inventario balancea la ecuación y la diferencia corregida del flujo es reducida.

Es por este motivo que nosotros utilizamos la diferencia corregida del flujo.

EL METODO SPRT

La probabilidad de una fuga en el ducto es referida como Lambda. Este método calcula que lambda es igual al logaritmo de la probabilidad de que haya una fuga en el ducto (P1) dividido por la probabilidad de que no haya una fuga en el ducto (P0).

)(

)(log)(

0

1

tP

tPt =λ

Este sistema patentado simplifica esta hipótesis en una ecuación recursiva.

Si Lambda aumenta a un punto positivo, significa que hay una fuga en el ducto.

Usamos siete lambdas, cada Lambda busca siete tamaños diferentes de fuga. Lambda uno, busca la fuga más pequeña en el tiempo más largo. Lambda siete, busca la fuga más grande en el tiempo más corto.

Cuando hay un cambio operativo en el ducto, por ejemplo un arranque de la

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bomba, AtmosPipe automáticamente aumenta el tiempo de detección para eliminar falsas alarmas. AtmosPipe continúa buscando el mismo tamaño pequeño de fuga durante este más largo tiempo.

Hasta las fugas más pequeñas eventualmente forjan Lambda a un punto positivo y genera una alarma de fuga.

Si observamos el ducto una vez más, podemos notar como los flujos y las presiones responden a varios cambios de estados operacionales.

Si encendemos la bomba, el flujo y la presión en la entrada aumentan. El flujo y la presión en la salida aumentan también.

Si detenemos la bomba, el flujo y la presión en la entrada disminuyen, al igual que el flujo y la presión en la salida.

Si abrimos la válvula de control en la salida, el flujo en la salida aumenta y la presión en la salida disminuye.

Si cerramos la válvula de control en la salida, el flujo en la salida disminuye y la presión en la salida aumenta.

Si abrimos la válvula en la entrada, el flujo en la entrada aumenta y la presión en la entrada aumenta.

Si cerramos la válvula en la entrada, el flujo en la entrada disminuye y la presión en la entrada disminuye.

Cuando una fuga ocurre, el flujo en la entrada aumenta, la presión en la entrada disminuye, el flujo en la salida disminuye y la presión de la salida disminuye. Este patrón es único. Atmos automáticamente identifica los patrones de flujo y presión, y cuando una fuga ocurre este genera una alarma.

También, AtmosPipe identifica todos los cambios operacionales y automáticamente hace sigma al cuadrado más grande para extender el tiempo de detección. El sistema continúa buscando una fuga del mismo pequeño tamaño durante los cambios operacionales.

)2

)(()1()(2

mMt

mtt

∆−−∆+−= τσ

λλ

Fuente: http://www.maquimsa.com.mx/Atmos%20pipe.htm

• Capacitar un grupo de trabajadores para realizar las actividades de mantenimiento.

• Aislar correctamente las conexiones eléctricas, logrando evitar los cortocircuitos del sistema eléctrico.

• Contar, en lo posible, con un stock de piezas de repuesto como, rodetes, válvulas, soldadura, empaquetaduras, etc.

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Mantenimiento Preventivo del Motor Eléctrico

• El grado de selección y aplicación incorrecta de un motor puede variar ampliamente, por lo que es necesario, que se seleccione correctamente el tamaño apropiado del motor de acuerdo a la carga.

• Los ciclos de trabajo son los que más dañan a los motores. Cuando no son seleccionados en forma apropiada, los arranques, los paros y frenados bruscos, así como los períodos de aceleración largos, conducen a fallas en el motor.

• Como se sabe, a grandes alturas la densidad del aire es más baja y se reduce la efectividad de enfriamiento. Esta reducción significa en forma aproximada que la temperatura de operación se incrementa un 5% por cada 300 m. de elevación sobre el nivel del mar.

• De no ser correcto el tamaño de los tomillos o anclas de montaje y sujeción o bien se tienen problemas de alineación; se puede obtener como resultado problemas de vibraciones con posibles fallas en las rodamientos o hasta en el eje del rotor. El montaje y la cimentación resultan de fundamental importancia para evitar problemas mecánicos y eventualmente eléctricos.

• Es posible que se seleccione correctamente al motor para su carga inicial, y que su instalación haya sido adecuada, sin embargo, un cambio en su carga o en el acoplamiento de accionamiento, se manifestará como una sobrecarga en el motor. Las rodamientos o baleros comenzarán a fallar, los engranes están expuestos a presentar fallas en los dientes, o bien se presentará algún otro tipo de fricción que se manifieste como sobrecarga. Cuando se presenta una sobrecarga, el motor demanda más corriente, lo cual incrementa la temperatura del mismo, reduciendo la vida del aislamiento.

• Los problemas en baleros y rodamientos son una de las causas más comunes de fallas en los motores, también la alineación errónea de éstos y la carga, malos acoplamientos por poleas y bandas, o bien errores en la aplicación de engranes o piñones, son causas de fallas mecánicas. Por otro lado, se debe hacer un correcto balanceo dinámico para evitar problemas de vibración. Una carga excesiva puede llevar rápidamente a una falla en el motor.

Fuente: Luis Torres García Curso de experto universitario en mantenimiento predictivo y diagnosis de

fallos.

9.2.3.2 Mantenimiento predictivo

• Aplicar una de las técnicas del mantenimiento predictivo para ver con qué ocurrencia se desgasta el rodete, ya que muchas veces el rodete puede estar deteriorado por el fenómeno de cavitación.

• Aplicar una de las técnicas del mantenimiento predictivo para determinar la frecuencia de limpieza del sistema de tuberías, logrando así evitar las perdidas por fricción en las tuberías y por ende el colapso del sistema.

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• Contar con proveedores de servicios especializados para tercerizar actividades de mantenimiento que no se puedan realizar internamente.

• Motor

Mantenimiento Predictivo de bombas

El análisis de vibraciones como técnica predictiva

El análisis de vibraciones es la técnica de mantenimiento predictivo más ampliamente utilizada, y esto es debido a que con ella podemos detectar una gama más amplia de defectos y de problemas en máquinas y procesos. Tiene una aplicación prioritaria en las máquinas rotativas y las bombas son una de las máquinas más susceptibles de ser controladas por análisis vibracional.

Proceso de análisis de vibraciones

El proceso de análisis de vibraciones consiste en captar la vibración originada en la máquina con un sensor, obteniendo una señal temporal para posteriormente procesarla en el dominio de la frecuencia e identificar su origen.

Fijamos el sensor en la maquina

Figura 38 Procedimiento de un Análisis de Vibraciones

Obtenemos una señal

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Figura 39 Señal encontrada en el Análisis de Vibraciones

Pasamos al dominio de la frecuencia (espectro) mediante el algoritmo de la transformada rápida de Fourier (FFT), y en él podemos identificar las fuentes de vibración.

Para medir la vibración en las máquinas usamos sensores conocidos como transductores que transforman la vibración mecánica en una señal eléctrica analógica para ser procesada. La característica principal de estos sensores es que sean precisos en las amplitudes y frecuencias captadas, además de tener repetitibilidad, dos señales de la misma amplitud deben tener la misma salida en tensión.

Pueden ser de desplazamiento, velocidad o aceleración, siendo estos últimos los más comúnmente usados. Cada uno de ellos tiene sus ventajas e inconvenientes, aunque los velocímetros se usan cada vez menos debido a la facilidad de integración de la señal en el software de análisis de vibraciones.

Dependiendo de los defectos que queramos analizar nos interesará estudiar el espectro de vibración en desplazamiento (bajas frecuencias), velocidad (frecuencias medias) o aceleración (altas frecuencias); siendo ésta una de las razones de selección de un tipo de sensor u otro.

Los conceptos de alta, media o baja frecuencia están relacionados con la velocidad de operación de la máquina, así si hablamos en ordenes o lo que es lo mismo el número de veces la frecuencia de giro fundamental (1x), consideraremos bajas frecuencias hasta un orden de aproximadamente 10x, medias frecuencias entre 10 y 20x y altas frecuencias órdenes superiores.

Los defectos en bombas que podemos identificar y asociar a cada uno de los rangos frecuenciales mencionados son los siguientes:

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• Bajas frecuencias: Problemas de desequilibrios, desalineaciones, holguras, deformaciones de ejes, excentricidades, resonancias estructurales, excentricidades rotoestatóricas en motores, frecuencias de paso de alabes y problemas de cojinetes de deslizamiento.

• Medias frecuencias: Frecuencias de daños en rodamientos, fundamentalmente.

• Altas frecuencias: Problemas en transmisiones con engranajes, problemas en barras de motores eléctricos, cavitaciones y resonancias de componentes mecánicos Para evaluar la vibración debemos indicar tres datos:

• Cantidad, valor numérico de la misma. • Unidades, de velocidad, aceleración o desplazamiento, dependiendo

de que estemos midiendo y de acuerdo con el sistema métrico o inglés (por ejemplo velocidad en mm/s o inch/s). Normalmente las aceleraciones se miden en g´s (número de veces la aceleración de la gravedad).

• Como estamos midiendo:

o Valores promedio (AVG).

o Valores eficaces (RMS).

o Valores pico (P).

o Valores Pico-Pico (PP).

Pudiéndose pasar de forma sencilla de una a otra.

Lo normal es medir velocidades y aceleraciones en valores eficaces (RMS) y los desplazamientos en valores pico o pico-pico.

¿Dónde medimos?

Los sensores de desplazamiento se suelen colocar dos, dispuestos ±45º con respecto al plano vertical que pasa por el eje, su finalidad es la de poder realizar un análisis orbital del desplazamiento del eje en su alojamiento.

Los demás sensores se colocan lo más cerca posible del apoyo de los ejes, soportes de rodamientos, buscando los puntos de medida de mayor rigidez de la máquina y evitando las medidas en chapas o planchas esbeltas que puedan generar ruido en el espectro de vibración además de una falta de transmisibilidad de la misma. Debe medirse en tres direcciones perpendiculares: vertical, horizontal y axial, esta última principalmente en el lado acoplado de la máquina.

Análisis de frecuencias

Frecuencia en Hz o en ordenes

Causa

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0-10 Hz Recirculación en la bomba, holgura inadecuada entre los alabes y el cuerpo de la bomba, desplazamiento axial del rotor.

3 a 15 Hz Vibración en las conducciones excitadas por pulsos de presión

0.05x/0.25x Problemas de flujo 0,1x a 0,4x Autoscilación

0,4x a 0,5x Inestabilidad dinámica en los cojinetes. Remolino de aceite y latigazo de aceite.

0,7x/0,85x

Inestabilidad hidráulica originada por un mal diseño en la geometría de la impulsión de la bomba. A veces la frecuencia natural del rotor se encuentra en este rango pudiendo originar resonancia.

1x Muchos defectos pueden ser asociados a la frecuencia, siendo el más común el desequilibrio mecánico o hidráulico

2x Desalineación. Holgura interna en componentes. Deformación de eje.

2x,3x,4x,… Holguras Zx (siendo

Z el número

de alabes

del

impulsor)

Frecuencia de paso e alabes, es inherente a la vibración en bombas, su incremento y aparición de armónicos de la misma puede indicar ruptura u obstrucción de un alabe o también su excentricidad.

5x a 20x Frecuencia de rodamientos 6x a 12x Frecuencia originada por los variadores de frecuencia 1kHz/20kHz Cavitación Frecuencias

no

relacionadas

con el 1x

Posibles resonancias por la vibración en maquina vecinas

100 Hz Excentricidad rotoestaorica

La diagnosis en base al análisis de frecuencia no es tan sencilla como pueda parecer al ver la tabla anterior, muchos síntomas son comunes a diversos defectos y no siempre se conocen todos los componentes y características técnicas de los equipos que analizamos. Para tener certeza en un diagnóstico es necesario utilizar técnicas adicionales como son el estudio de los parámetros de onda, la modulación de las frecuencias dominantes, el estudio de fases, etc.

Normativa

Existen diversas normas que pretenden dar valores admisibles de vibración

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en diferentes equipos: ISO 2372, ISO 3945, ambas han sido actualizadas en la ISO 10816, que es la que actualmente se considera al evaluar el estado de las máquinas. La norma consta de seis partes, de las cuales la concerniente a bombas es la tercera y que reproducimos en la siguiente tabla:

CLASE DE

SOPORTE

LINEA DE ZONA

DESPLAZAMIENTO rms (µm)

VELOCIDAD rms (mm/s)

RÍGIDO A/B 18 2.3 B/C 36 4.5 C/D 56 7.1

FLEXIBLE A/B 28 3.5 B/C 56 7.1 C/D 90 11.0

Grupo 3: Bombas con impulsores multipaletas y propulsores separados (flujo axial, centrífugo o mixto) con potencias superiores a 15 kw.

CLASE DE

SOPORTE

LINEA DE ZONA

DESPLAZAMIENTO rms (µm)

VELOCIDAD rms (mm/s)

RÍGIDO A/B 11 1.4 B/C 22 2.8 C/D 36 4.5

FLEXIBLE A/B 18 2.3 B/C 36 4.5 C/D 56 7.1

Grupo 4: Bombas con impulsores multipaletas y propulsores integrados (flujo axial, centrífugo o mixto) con potencias superiores a 15 kw Las condiciones de soporte están determinadas por la relación entre la flexibilidad de la máquina y los cimientos. Si la frecuencia natural más baja de la máquina combinada y el sistema soporte en la dirección de la medición es más alta que su propia frecuencia de excitación (esto es en la mayoría de los casos la frecuencia rotacional) por al menos un 25%, entonces el sistema soporte puede ser considerado rígido en esa dirección. Todos los otros sistemas soporte pueden ser considerados flexibles.

Y las zonas de evaluación:

Zona A.- Vibraciones de máquinas recién puestas en servicio.

Zona B.- Vibraciones de máquinas consideradas aceptables para un funcionamiento sin restricciones a largo plazo.

Zona C.- Vibraciones de máquinas consideradas insatisfactorias para un funcionamiento continúo a largo plazo. Generalmente, la máquina puede estar funcionando por un periodo limitado de tiempo en estas condiciones,

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hasta que se presente una oportunidad adecuada para una acción de remedio.

Zona D.- Vibraciones de máquinas consideradas suficientemente severas para causar daño a la máquina.

Recordar que los valores de vibración a los que hace referencia son valores globales en rms.

Existen otros estándares como API 610, el “Europump and Hydraulics Institute”, especificaciones del Gobierno de Canadá, etc.

A continuación mostramos los valores dados por “Technical Associates of Charlotte” en función de su experiencia en estos equipos:

BOMBAS CENTRIFUGAS

BUENO ACEPTABLE ALARMA 1 ALARMA 2

VERTICAL 3.6 A 6m DE ALTO

5.8 5.8-8.9 8.9 13.46

Vertical 2.5 a 3.6m de alto

4.9 4.9-7. 6 7.6 11.67

Vertical 1.5 a 2.5 m. de alto

4.0 4.0-6.2 6.2 9.42

Vertical 0.0 a 1.5m de alto

3.6 3.6-5.3 5.3 8.08

Horizontal de propósito general

3.6 3.6-5.3 5.3 8.08

Horizontal de pistones

2.6 2.6-4.4 4.4 6.73

Valores en mm/s RMS.

A pesar de las normas y recomendaciones publicadas en relación con los valores máximos admisibles de vibración, es aconsejable trabajar en lo que se conoce como “personalización de máquinas”, estableciendo y ajustando continuamente los niveles de alerta y fallo de nuestros equipos en base a los históricos de vibración obtenidos. La alarma 1 se determina sumando al nivel promedio, normalmente, tres veces la desviación estándar y la alarma 2 incrementando la 1 en un 50%.

Fuente: MANTENIMIENTO PREDICTIVO DE BOMBAS Antonio Ordóñez Guerrero

Universidad de Sevilla – Escuela Universitaria Politécnica

MANTENIMIENTO PREVENTIVO DE MOTORES

1. Limpieza y lubricación:

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Retenes de Aceite y Cubiertas:

• Ver que las tapaderas estén bien cerradas de manera que el polvo no pase a las chumaceras.

• Revisar que los sellos de aceite cubran las flechas y que los tapones correspondientes estén apretados.

• Vea que el aceite no escurra a lo largo de las flechas para que éste no llegue al embobinado.

• Toda fuga de aceite a las chumaceras trae consigo dificultades, por acumulación de polvos y destrucción de aislamientos.

Anillo elevador de aceite:

• Revise que el anillo elevador de aceite se encuentre libre y gire con la flecha.

• Temperatura: • Fijarse bien que la temperatura de las chumaceras no exceda

de 60°C en motores de tipo abierto y en 80°C. en motores totalmente cerrados.

• Además, compruebe la temperatura especificada por el fabricante.

Bandas, cadenas y presión de engranes:

• Ver que la tensión de las bandas sea la adecuada para evitar deslizamientos. Ver que los engranes giren libremente; comprobar que las cadenas no muestren puntos de desgaste o partes brillantes que denoten rodamientos.

• Ver que las cadenas giren libremente en sus cajas. • Revisar el aceite y corregir especialmente el acumulamiento de

grasa o aceite en el fondo de las cubre-cadenas.

Alineación:

• Es necesario que la alineación entre el motor y la máquina sea la adecuada para evitar desgastes en las chumaceras, además alinear correctamente los coples flexibles para evitar ruidos y calentamiento de las chumaceras.

2. Lubricación de Baleros y Rodillos:

Lubricación por aceite:

• Ver que el aceite esté donde marca precisamente el indicador. Si el

• indicador de nivel de aceite señala menos de 5 cm. (2 plgs.), pare el motor para verificar el aceite, purgue y llene nuevamente el depósito de reserva de aceite.

• Si el motor hace trabajo pesado, haga con más frecuencia esta operación.

• El aceite que se use debe ser el recomendado por el fabricante.

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• Los motores pequeños no tienen indicadores de nivel; en estos casos debe verter de 30 a 60 gotas cada 6 meses.

Lubricación por grasa:

• La lubricación va de acuerdo con el uso a que está destinado el motor, tomando en cuenta las recomendaciones del fabricante.

• Cuando el motor sea de uso continuo (24 hrs.), se le deben engrasar

• baleros y rodillos cada 6 meses; si el motor es de uso alterno, es decir, que su trabajo no sea constante, se deberá engrasar cada 9 ó 12 meses.

• En motores de trabajo pesado, se debe quitar el tapón de drenaje para inyectar grasa nueva hasta que la grasa usada sea expulsada.

• Si es necesario hacer cambio de lubricante, limpie perfectamente los lugares antes de llenar con grasa nueva, nunca mezcle grasa de diferentes tipos, guíese por la recomendación del fabricante.

Vibraciones:

• Toque la cubierta del motor: si aprecia vibraciones o ruido que no son

• propios de una operación normal, repórtelo al supervisor responsable.

3. Escobillas y Portaescobillas (Generadores):

Limpieza:

• Ver que los carbones no estén pegados, en caso afirmativo, límpielos para que se deslicen libremente. Si en los carbones se nota un chisporroteo muy fuerte, esto se debe a que el aceite y la suciedad se ha acumulado en el conmutador y ocasiona que las delgas y los carbones se piquen y se acaben pronto.

• Vea que las conexiones a las delgas del distribuidor no estén flojas; en caso de que las caras de las escobillas tengan rebabas, surcos o estrelladuras por el calor, reemplácelas.

• Tensión del resorte • Si la presión del resorte no es la apropiada, cámbielo. No trate

de darle la presión necesaria porque la presión del resorte debe ser exactamente la adecuada para evitar que el conmutador se acinture y alterne los portaescobillas en pares.

4. Conmutador y Anillos deslizantes (Generadores):

Limpieza:

• Se debe limpiar perfectamente el conmutador, pues la suciedad y el aceite hacen defectuoso su funcionamiento.

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• Si el conmutador presenta una coloración azulosa o quemada, esto indica

• sobrecalentamiento, para evitar la corrosión en el anillo rosante invierta la polaridad de los anillos deslizantes o carbones.

Desgastes:

• El desgaste de los anillos deslizantes en los conmutadores de los motores eléctricos es inevitable, porque siempre están en constante fricción y no pueden ser lubricados.

• El desgaste mínimo se puede lograr manteniendo el conmutador con sus ranuras limpias.

• Para un buen acabado en los conmutadores, límpielos con lija No. 00 y use lija de papel, no de tela.

5. Rotores:

Tipo:

• Compruebe que no existan barras rotas o flojas, verifique que las aspas del ventilador no se encuentren fundidas, haciendo una sola pieza.

• Ver que las aspas no estén torcidas o fuera de su lugar.

Tipo devanado:

• Limpie a través y alrededor de los anillos del colector, rondanas y

• conexiones. • Apriete todas las conexiones en caso de que los anillos se

encuentren • picados o acinturados, rectifíquelos en torno, ver que las

bobinas se • encuentren apretadas y unidas.

6. Protección y Controles:

Fusibles:

• Ver que la protección de circuito corto de los motores no exceda en tres veces la corriente a plena carga del motor.

• Ver el estado de los portafusibles mismos, no debe haber conexiones flojas o sobrecalentadas.

Arrancadores y Controles:

• Mantener los arrancadores y controles limpios; ver que las partes móviles giren libremente.

• Revise que todas las conexiones interiormente estén apretadas

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y sobre todo, busque las partes que denoten calentamiento excesivo.

• Ver que en los contractotes no haya claros entre las partes fijas y las partes móviles.

Elementos térmicos:

• Ver que los elementos térmicos sean los especificados, así como también no haya sobrecalentamiento en los motores monofásicos.

• Vea que el arranque no sea muy lento y que no haya excesivo chisporroteo o fallas que le impidan entrar a la velocidad de régimen en el ciclo adecuado.

7. Pruebas:

Prueba de Carga:

• Es necesario verificar la carga eléctrica en el motor cuando haya cualquier cambio de operación en el mismo, o cada vez que tienda a calentarse. Esta prueba debe realizarse con el amperímetro de inducción (de gancho).

Espacio entre rotor y estator:

• Se hace esta medición mediante hojas de acero calibradas (láminas). Esta medición se hace a motores de 1 H.P. ó mayores. El promedio de variación de éste espacio es del 10% dependiendo del tamaño del motor.

• Un récord anual de estas verificaciones dará una idea del desgaste en las chumaceras.

Resistencia de aislamientos a tierra:

• Esta prueba es muy conveniente en motores de 100 H.P. ó mayores, así como en los que se manejan mecanismos importantes y los de bombeo. En motores de 5 H.P. ó menores, estas pruebas deberán hacerse con un ohmetro de la sensibilidad apropiada.

• Las pruebas se hacen entre el armazón o coraza y entre bobina y bobina, nunca verifique los aislamientos de motores húmedos con ohmetro

• (Megger), porque el voltaje puede quemar el aislamiento. • Pruebe los aislamientos de los motores mojados o húmedos con

un ohmetro de bajo voltaje (55º V.).

8. Varios:

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Conexiones eléctricas:

• Es necesario que todas las conexiones estén de acuerdo con el reglamento de obras e instalaciones eléctricas en vigor; revise el alambrado general.

Ventilación:

• La ventilación a través del motor no debe estar obstruida, es necesario que en las tomas de aire del motor no exista acumulación de materias extrañas, así como también a su alrededor.

Montaje:

• Es necesario que el motor se encuentre seguro; para esto, se necesita que los tornillos se mantengan rígidos o apretados. Ver también que la vibración no sea excesiva.

Protección contra oxidación:

• Es necesario que los motores estén libres de salpicaduras de agua,

• goteras, descargas de vapor y, en general, del medio húmedo.

Sopleteado en los embobinados:

• Antes de destapar, sopletee con aire seco la cubierta de los motores, para quitar el polvo, haga lo mismo a los conmutadores y a los anillos deslizantes de los generadores.

• Cuando no se disponga de aire a presión, es conveniente levantar el polvo con el auxilio de un fuelle.

Fuente: Guía de mantenimiento y operación de motores eléctricos Instituto de seguridad y servicios sociales de los trabajadores de estado

Subdirección de Conservación y Mantenimiento de la Subdirección General Médica-México

Departamento de Ingeniería Electromecánica

9.2.3.3 Mantenimiento correctivo

• Falla por deterioro del rodete: El deterioro del rodete se da en su mayoría de casos por la presencia del fenómeno de cavitación, ya explicado detalladamente antes, En este caso se plantea como primera solución la recuperación del rodete por soldadura, dependiendo del material de fabricación. En caso extremo se plantea hacer cambio del rodete.

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• Falla por fugas en las tuberías: Se sugiere emplear soldadura para cubrir los orificios, en caso contrario se recomienda reemplazar parte de la tubería averiada por una nueva.

• Falla por fuga en las válvulas del sistema: Se recomienda cambiar el sello, caso contrario cambiar la válvula por una nueva.

• Falla por haberse quemado el motor: Se recomienda mandar a rebobinar el motor, caso contrario cambiar el motor. El análisis de dichas alternativas se presenta a continuación

9.2.3.4 Mantenimiento productivo total

• Las industrias que podrían implementar este tipo de mantenimiento deben ser aquellas que cuenten con departamento de mantenimiento internamente. Este departamento es el encargado de dirigir

• Se recomienda que los operarios del sistema estén adecuadamente capacitados, porque ellos serán quienes detecten las posibles fallas a tiempo.

• Se recomienda contar con un stock de piezas de repuesto como, rodetes, válvulas, soldadura, empaquetaduras, etc. El departamento de mantención se encargará de la gestión de los mismos

9.3 Ejemplo de diseño de un sistema de bombeo

Una localidad se abastece de un pozo cuyas características se indican a continuación:

Nivel estático 5.50 m,

Nivel de bombeo 31.00 m,

Profundidad 38.00 m,

Caudal 2.5 l/s,

Cota terreno 173.44 m,

Altura del estanque 19 m desde la superficie del terreno,

Período de funcionamiento 16 horas,

La tubería utilizada en toda la obra es acero galvanizado (C=110).

Se pide calcular las pérdidas de carga de la tubería y la potencia de la bomba.

Datos:

Nivel estático: 5.50 [m]

Nivel de bombeo: 31.00 [m]

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Profundidad: 38.00 [m]

Caudal: 2.5 [l/s]

Cota terreno: 173.44 [m]

Altura del estanque 19 m desde la superficie del terreno

El bombeo es continuo durante16 horas (N)

Solución:

1. Diámetro económico de la tubería de bombeo (fórmula de Bresse)

.]/[3.1][ 34/1 smQxmD λ=

24N=λ

N:numero de horas de bombeo

.]/[0025.024

163.1][ 3

4/1

smxmD

=

D=0.059 [m]=2.32[pulg]

Diámetro comercial: 3[pulg]=0.0762[m]

2. Pérdidas de carga tubería del pozo al punto A. (Hazen-Williams)

Qmax-d=2.5 l/s=0.0025 m3/s

L=45m

C=110

D=3”=0.0762m

54.063.22785.0 xSxCxDQ =

Longitud

hS f=

0.0025[m3/s] =0.2785x110x (0.0762) 2.63xS0.54

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S=0.00749 [m/m]

Entonces la pérdida de carga será:

hf=SxL=0.00749x45=0.337[m]

3. Pérdidas de carga tubería del punto A al tanque. (Hazen-Williams)

Qmax-d=2.5 l/s=0.0025 m3/s;

L=6650m

C=110

D=3”=0.0762m

54.063.22785.0 xSxCxDQ =

0.0025 [m3/s] =0.2785x110x (0.0762) 2.63xS0.54

S=0.00749 [m/m]

Entonces la pérdida de carga será:

hf=SxL=0.00749x6650=49.81 [m]

4. Cálculo de la pérdida de carga total (HT)

H1 = (perdida de carga del pozo al punto A) + (perdida de carga del punto A al tanque)

H1 = 0.337 [m] + 49.81 [m] = 50.15 [m]

H2 = (cota terreno del tanque + altura del tanque) – (cota terreno del pozo)

H2 = (194.44 [m] + 19 [m] – 173.44 [m] = 40 [m]

HT = H1 + H2 + nivel de bombeo = 50.15 [m] + 40 [m] + 31 [m] = 121.15 [m]

HT = 121.15 [m]

5. Calculo de la potencia de la bomba

ξγ

x

xQxHHPPotencia T

76][ =

Donde:

γ = Peso unitario del agua (1000 kg/m3)

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ξ = Eficiencia (70 %)

HT = Altura total de carga [m]

Q = Caudal [m3/s]

HPx

xxHPPotencia 69.5

70.076

100015.1210025.0][ ==

Adoptamos 7.5 (HP) porque en el comercio no existe de 6 (HP), entonces adoptamos esta potencia:

Potencia adoptada = 7.5 (HP)

Se escoge una bomba con estas características: de 7.5 HP, con un caudal de 2.5 [l/s] ≅ 40[gal /min]; y que tenga una altura total de carga de 121.15 [m] ≅ 398 [pies]; se verifica que cumpla estos requisitos. Como se muestra en la Figura 40 Curva característica de la bomba seleccionada.

Figura 40 Curva característica de la bomba seleccionada

Fuente: http://www.franklin-electric.com/business/WaterSystems/Products/Pumps/pdfs/Catalog_J-Class.pdf

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9.4 Motores Eléctricos

9.4.1 Introducción

En el presente capítulo se analizará en forma conjunta los motores y los sistemas que accionan éstos (bombas, ventiladores, correas transportadoras y compresores eléctricos). El potencial de ahorro fue estimado considerando el conjunto motor-bomba, motor-ventilador, etc., sin incluir en forma específica las bombas o compresores Premium ya que no hay datos para evaluar la rentabilidad de la medida y, principalmente, porque se considera que el método adoptado cubre adecuadamente los potenciales de los sistemas involucrados.

Se estimó necesario desarrollar con cierto detalle el proceso de introducción de los motores eléctricos en los sectores industrial y minero, no sólo por la importancia que tiene la fuerza motriz en el total de los consumos de estos dos sectores, del orden de un 70% del total, sino que también ha habido un desarrollo importante de la eficiencia en la producción de motores a nivel mundial y a que los actores públicos y privados en Chile asignan una importancia mayor a la incorporación de motores de alta eficiencia en la actividad productiva nacional11. De hecho, las autoridades de Gobierno (Ministro de Energía, Ministra de Medio Ambiente y Ministra (s) de Minería) suscribieron un acuerdo voluntario con Siemmens, ABB y WEG que establece la comercialización de motores eficientes para las industrias con un 20% de descuento por sobre sus precios de lista.

9.4.2 Escenarios de evaluación

Se evaluará, a partir del concepto del CAE, la viabilidad económica de introducir motores de alta eficiencia en las distintas situaciones descritas más abajo. Para el análisis se consideraron motores asincrónicos TEFC, de 4 polos y de potencias comprendidas entre 1 y 200 HP. Debido a que no es fácil obtener información de precios de motores fabricados bajo norma IEC, se consideraron motores de fabricación US Motors, norma NEMA.

En cuanto a la especificación de los motores, se considerarán aquellas definidas por la norma NEMA 12-10 vigente a partir de 1998 (a la que algunos fabricantes asocian como EM) y aquella definida por el Consortium for Energy Efficiency (CEE), con el patrocinio de la US Environmental Protection Agency (EPA) y el Department of Energy (DOE) de los Estados Unidos, quienes publican una tabla más exigente de eficiencia de motores, a la que los fabricantes normalmente asocian su línea de motor XE Extra Efficiency o motores NEMA Premium. Los motores que cumplen la Norma NEMA MG-1-1998 serán llamados, en lo que resta del texto, motores estándar. El valor de la eficiencia de estos motores se aproxima a la denominación EFF2 del European Labelling Scheme. Por otra parte, los niveles de eficiencia del CEE fueron adoptados por la Norma NEMA PREMIUM (NEMA Standards MG 1- 2003) y se asemejan a la denominación EFF1 del European Labelling Scheme. En lo que resta del texto estos últimos motores serán llamados motores eficientes.

11

Se estima que aproximadamente un 5% del parque de motores existente estaría conformado por motores

eficientes, no está claro si ellos corresponden a motores EFF2 o EFF1, estudio de la Fundación Chile para el

PPEE.

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Los casos a evaluar son los siguientes:

a. Selección entre un motor eficiente (Premium) o uno estándar (NEMA 12-10) en el caso de expansión de la producción o de proyectos nuevos.

b. Reemplazo de motores que llegan al final de su vida útil (obsolescencia), los cuales deben ser reemplazados por un motor nuevo. En forma similar al caso anterior, se debe escoger entre un motor eficiente o uno estándar.

c. Reemplazo de un motor instalado, que luego de una falla, se debe decidir si es reparado (rebobinado), o reemplazado por un motor nuevo, ya sea un motor eficiente o uno estándar.

En consecuencia, no se contempla reemplazar un motor existente en funcionamiento, tanto por razones de costo directo como por el costo que implica detener la producción.

En el presente estudio se han considerado tres escenarios posibles, llamados escenario conservador, escenario dinámico y escenario económicamente viable. Básicamente, y sólo para los casos en que la tecnología es rentable, estos escenarios se diferenciarán en la tasa de penetración en el mercado de la tecnología bajo análisis, para cada sector y situación analizada.

9.4.3 Caracterización del parque actual de motores

Si bien no se considera para el análisis de los potenciales de ahorro un motor con alta probabilidad de falla, se ha supuesto que los motores del parque existente han sufrido al menos dos rebobinados y que su rendimiento es igual al definido como EFF2 por el European Efficiency Labelling Scheme menos dos puntos porcentuales (resultantes de los sucesivos rebobinados):

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Adicionalmente, se debe considerar que la literatura especializada12 indica que un motor que ha sido rebobinado tiene una probabilidad de un 50% de volver a fallar a los 3,5 años, mientras que un motor nuevo tiene la misma probabilidad de falla a los 7 años, lo cual en una faena industrial o minera que asigne a la confiabilidad una alta prioridad, puede ser decisivo al momento de elegir la reparación de un motor o su reemplazo.

La siguiente figura muestra la probabilidad de falla de un motor, sometido a condiciones extremas de funcionamiento, lo cual reduce aún más su vida útil13, aumentando las probabilidades de falla. En los puntos en azul se puede apreciar la probabilidad de una nueva falla de un motor existente, en función de los años, para el caso que éste sea rebobinado. En rojo se puede apreciar la probabilidad de falla para el caso que éste sea reemplazado por un motor nuevo de alta eficiencia y robustez.

Figura 41 Probabilidad de Falla de un Motor

9.4.4 Caracterización de los motores nuevos

Como se señaló, para el análisis económico se distinguirán dos tipos de motores nuevos14: motores estándar y motores eficientes.

12

Advanced Energy, “Achieving More with Less: Efficiency and Economics of Motor Decision Tools”, 2006. 13

Respecto de las condiciones medias del parque de motores.

14

Entre los años 1960 y 1975 no existió mayor preocupación por la eficiencia de los motores. Así por

ejemplo, un motor de 10 HP tenía una eficiencia declarada en su placa de características que usualmente

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• Los motores estándar serán aquellos que tienen una eficiencia igual o peor que los definidos por la Norma NEMA 12-10 del año 1998, básicamente equivalente al motor EFF2 del European Labelling Scheme15.

• Los motores eficientes tienen una eficiencia igual o superior a la definida por NEMA Premium (NEMA Standards MG 1-2003) y coinciden, muy aproximadamente, con la denominación EFF1 del European Labelling Scheme.

La tabla siguiente muestra los valores de las eficiencias de los motores de dos a ocho polos para distintas potencias según la Norma NEMA 12-10 (Norma NEMA MG-1-1998).

fluctuaba entre 81% y 88% (John C. Andreas: Energy Efficiency Electric Motors, Ed. Decaer, 1992). En 1993

NEMA define el concepto de motor eficiente mediante la Tabla 12-6C, la que, por ejemplo, especifica para

un motor de 10 HP una eficiencia de 89,5 %. Por tanto, es posible afirmar que todos los motores anteriores a

1993 tienen una eficiencia inferior a la publicada la Tabla 12-6C de NEMA. 15

Algunos fabricantes llaman a estos motores EM.

En todas las Normas se hace distinción entre los motores abiertos y totalmente cerrados. En general, se

tiende a utilizar el motor totalmente cerrado (TEFC), enfriado externamente, evitando que la contaminación

del aire deteriore las partes internas del motor.

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La tabla siguiente muestra los valores de las eficiencias de los motores de dos a seis polos para distintas potencias según NEMA Premium:

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9.4.5 Determinación de criterios de decisión para la selección de motores eléctricos basados en el CAE

Para todos los escenarios posibles indicados en el punto 9.4.2, se ha analizado la alternativa más rentable para un plazo de 12 años y una tasa de descuento del 12%. La metodología de decisión se basa en el cálculo del Costo de Ahorro de Energía (CAE).

Las listas de precios de los motores nuevos fueron extraídas de U.S. Motors American product catalog, mientras que los precios de rebobinado, costos de traslado e instalación se obtuvieron de estudios realizados por el PRIEN con anterioridad16. El costo de inversión considera el precio FOB (precio de lista menos 10% de descuento17), el recargo entre FOB y CIF18, el desaduanamiento (en forma conservadora 6%, como resultado de los acuerdos comerciales de Chile) y el costo de instalación (15% del precio FOB).

Los resultados obtenidos a partir de precios de lista de motores (menos el descuento mencionado) deben ser sólo considerados como ejemplos de negocios. En efecto, normalmente los precios reales son muy inferiores a los precios de lista exhibidos por los fabricantes, los que son fuertemente influidos por la cantidad de motores que se estén comprando.

16

PRIEN, “Caracterización del parque actual de motores eléctricos en Chile”, preparado para el Ministerio de

Minería, 18 de enero de 2007. 17

De acuerdo a los proveedores el descuento puede llegar hasta un 30% sobre el precio de lista. 18

De acuerdo al Boletín del Banco Central, existe un sobrecargo de 10% entre el precio FOB y CIF de las

importaciones.

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Los CAE calculados según cada escenario se presentan a continuación:

a) Selección entre un motor eficiente o uno estándar, en el caso de expansión de la producción o proyecto nuevo:

Se ha calculado el CAE para ambas decisiones.

Para las grandes industrias (6000 horas o más de funcionamiento anual), se ha estimado que un CAE inferior en un 25% a un precio monómico de $51,1/kWh hace atractiva la inversión, lo que daría un precio de corte de $38,3/kWh, valor que definirá la alternativa a adoptar.

Para las industrias más pequeñas (4000 horas o menos de funcionamiento anual), se ha estimado que un CAE inferior en un 25% a un precio monómico de $61,8/kWh19 (Tarifa AT 4), hace atractiva la inversión, lo que daría un precio de corte de $46,3/kWh, valor que definirá la alternativa a adoptar.

En la tabla siguiente se han sombreado las alternativas cuyo costo calculado se encuentra por debajo del precio de corte, lo cual significa, en este caso, que la alternativa de un motor eficiente (PREMIUM) es más económica que la alternativa de un motor estándar (NEMA 12-10).

b) Reemplazo de motores que llegan al final de su vida útil (obsolescencia), los cuales deben ser reemplazados por un motor nuevo:

19

Supone que no consume en hora de punta, si ese no fuera el caso el precio sería más alto como se indicó

más arriba.

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Nuevamente el criterio de decisión es la compra de un motor Premium o un motor estándar, lo cual se reduce a la misma decisión del punto anterior.

c) Reemplazo de un motor instalado, que luego de una falla, se debe decidir si es reparado (rebobinado), o reemplazado por un motor nuevo, ya sea un motor eficiente o uno estándar:

En este caso, existen tres posibles decisiones: rebobinado del motor antiguo, reemplazo por un motor Premium o reemplazo por un motor estándar. Para analizar estas tres decisiones, se ha enfrentado la posibilidad de rebobinado con las otras dos posibilidades, los resultados del análisis se presentan en las tablas siguientes:

En las tablas anteriores se han sombreado las alternativas cuyo CAE se encuentra por debajo del precio de corte, lo cual significa que las alternativas

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de un motor Premium o un motor estándar, según corresponda, son más económicas que rebobinar el motor existente.

Fuente: “Estimación Preliminar del Potencial de la Eficiencia en el uso de la Energía Eléctrica al Abastecimiento del Sistema Interconectado Central”

Informe Final Preliminar Programa de Estudios e Investigaciones en Energía

Instituto de Asuntos Públicos Universidad de Chile, 2008

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