Capítulo 3. Ahorro energético en instalaciones de...
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Capítulo 3. Ahorro energético en instalaciones de ventilación.
3.1. Fundamentos sobre instalaciones de ventilación.
En este apartado se expondrán y explicarán los fundamentos básicos sobre
instalaciones de ventilación necesarios para la comprensión de los
diferentes puntos que se abordarán en el presente texto.
3.1.1. Curva característica gasto – presión de un ventilador.
La curva característica gasto – presión de un ventilador representa los
diferentes puntos en los que el ventilador puede funcionar para una
determinada velocidad de funcionamiento. Los puntos vienen definidos en
la misma por una abscisa que define el gasto que el mismo puede desplazar
y una ordenada que define la presión que el mismo puede proporcionar al
fluido. En la curva (figura 3.1) se puede observar que todos los puntos de
funcionamiento no están permitidos, ya que el ventilador no podría
funcionar en el punto P1 proporcionando una presión al fluido p1 y un gasto
Q1. La curva característica gasto – presión nos da la relación entre el gasto
que un ventilador puede desplazar Q2 y la presión que puede proporcionar
al fluido p2 en un punto P2, que en este caso está sobre la curva y es
permisible.
3.1.2. Variación de la curva gasto – presión de un ventilador al variar la
velocidad de funcionamiento del mismo.
La variación de la característica gasto presión de un ventilador al variar su
velocidad sigue la Ley de Semejanza de las Máquinas Hidráulicas aplicadas
a ventiladores. Esta ley proporciona unas ecuaciones que relacionan los
puntos de la característica gasto – presión a una velocidad de giro 1ω con
los puntos de dicha característica a una velocidad de giro 2ω . Estos puntos
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relacionados para diferentes velocidades de funcionamiento del ventilador
son llamados puntos homólogos y tienen el mismo rendimiento (3.1) y (3.2).
Figura 3.1. Curva característica gasto - presión de un ventilador.
22
221
1 pp
ω=
ω (3.1)
2
2
1
1 QQω
=ω
(3.2)
donde:
p1 = Presión de un punto P1 en la curva del ventilador para velocidad ω1, Pa
o in-water.
Q1 = Gasto de un punto P1 en la curva del ventilador para velocidad ω1,
m3/s o cfm.
p2 = Presión de un punto P2 en la curva del ventilador para velocidad ω2, Pa
o in-water.
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Q2 = Gasto de un punto P2 en la curva del ventilador para velocidad ω2,
m3/s o cfm.
ω1 = Velocidad de funcionamiento 1, rpm.
ω2 = Velocidad de funcionamiento 2, rpm.
Para obtener el lugar geométrico de los puntos homólogos (en este caso P1
y P2 son dos puntos homólogos) al variar la velocidad de funcionamiento
(figura 3.2), basta con eliminar de (3.1) y (3.2) las velocidades (3.3).
222
222
1
122
2
21
22
21
2
1
2
1
2
1 QKpQQp
pQQ
pp
⋅=⇒⋅=⇒=ωω
=⇒=ωω
(3.3)
Figura 3.2. Curva de iso-rendimiento y puntos homólogos (mismo rendimiento) para dos velocidades de funcionamiento.
3.1.3. Curva característica de un sistema.
Todo sistema tiene una curva característica gasto – presión que depende de
la morfología del mismo (número, morfología de los conductos y
compuertas existentes, etc.). Dicha curva representa la presión que debe
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suministrar un ventilador a un fluido para que circule un determinado gasto
del mismo por el sistema.
Tomando las ecuaciones de mecánica de fluidos simplificadas las pérdidas
en un sistema son cuadráticas con el gasto, por lo que la curva del sistema
tiene carácter parabólico (figura 3.3).
Figura 3.3. Curva del sistema.
Cuando se utiliza un ventilador, con su determinada característica gasto –
presión, para desplazar un determinado fluido en un sistema, con su
determinada característica gasto – presión, el punto de funcionamiento del
ventilador se obtendrá como el cruce de las dos curvas características, la
del ventilador y la del sistema (figura 3.4).
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Figura 3.4. Punto de funcionamiento del ventilador.
3.1.4. Curva gasto – rendimiento de un ventilador.
El rendimiento al que trabaja un ventilador depende del punto en el que
esté funcionando el mismo, es decir, depende de la presión que esté
suministrando al fluido y del gasto de fluido que esté desplazando (figura
3.5). En principio sería imposible representar una curva gasto – rendimiento
ya que el rendimiento depende de dos variables (Q y p) y no sólo del gasto.
Pero al estar estas dos variables, gasto y presión, relacionadas en un
ventilador por medio de su curva característica gasto – presión para una
determinada velocidad de funcionamiento, se puede construir una curva
gasto – rendimiento (figura 3.6) y (3.4).
( )( ) ( )QfQfp
p,Qf3
2
1 =η→
=
=η (3.4)
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Figura 3.5. Curvas de rendimiento de un ventilador.
Figura 3.6. Curva gasto - rendimiento de un ventilador.
Por lo tanto, la curva gasto – rendimiento de un ventilador representa el
rendimiento al que trabaja el mismo para un determinado gasto de
funcionamiento, ya que la presión de funcionamiento para dicho gasto
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viene fijada por la curva característica gasto – presión del mismo. Destacar
de nuevo que la curva gasto – rendimiento de un ventilador varía al variar
la velocidad de funcionamiento del mismo.
3.1.5. Variación de la curva gasto – rendimiento de un ventilador al
variar la velocidad de funcionamiento del mismo.
Si se conoce la curva gasto – rendimiento de un ventilador para una
determinada velocidad de funcionamiento 1ω y se desea conocer dicha
curva característica para una velocidad de funcionamiento 2ω , se puede
obtener mediante la Ley de Semejanza de las Máquinas Hidráulicas
aplicadas a ventiladores. Se toma un punto de la curva característica gasto
– presión del ventilador P1 a una velocidad 1ω . Dicho punto viene definido
por un gasto Q1 y una presión p1. Conociendo el gasto Q1 se puede conocer
el rendimiento de dicho punto 1η mediante la curva característica gasto –
rendimiento del ventilador a velocidad 1ω . Conocido un punto R1 en la
curva de rendimiento a velocidad 1ω , definido por un gasto Q1 y un
rendimiento 1η , se podrá conocer donde se desplazará dicho punto de la
curva cuando la velocidad del mismo cambie de 1ω a 2ω . En primer lugar,
se debe encontrar el punto homólogo (de mismo rendimiento) al punto P1
en la curva gasto – presión del ventilador a velocidad 2ω . Dicho punto P2
definido por un gasto Q2 y una presión p2 puede ser obtenido mediante las
ecuaciones de Semejanza de las Máquinas Hidráulicas aplicadas a
ventiladores (3.1) y (3.2).
Una vez obtenido el punto P2, con el gasto Q2 y el rendimiento 1η se tiene
definido el punto R2, ya que se cumple que 12 η=η . El punto R2 forma
parte de la nueva curva gasto – rendimiento del ventilador a velocidad 2ω .
Realizando este procedimiento con tantos puntos como se desee, se puede
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trazar la nueva curva gasto – rendimiento de un ventilador funcionando a
velocidad 2ω a partir de dicha curva a velocidad 1ω .
3.2. Métodos de regulación de gasto en instalaciones de ventilación.
3.2.1. Regulación de gasto mediante dampers.
Este método de regulación consiste en colocar unos dampers (compuertas
para la ventilación) a la salida del ventilador (figura 3.7). Mediante dichos
dampers se pueden variar las pérdidas de carga del sistema alterando la
característica gasto – presión del mismo introduciendo una presión p
adicional. Ajustando la misma se puede obtener un cruce con la
característica del ventilador en un punto de funcionamiento gasto – presión
deseado.
Figura 3.7. Colocación de dampers para regulación del gasto.
En este método se puede observar que la característica gasto – presión del
ventilador permanece inalterada mientras que la característica gasto –
presión del sistema varía. La velocidad de funcionamiento del ventilador no
varía por lo que funciona a velocidad nominal. Por lo tanto, los puntos de
funcionamiento para diferentes gastos deseados se van desplazando por la
curva gasto – presión del ventilador (figura 3.8).
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Figura 3.8. Desplazamiento de los puntos de funcionamiento al actuar sobre los dampers.
Este método de regulación de gasto es sencillo de implementar y requiere
poco mantenimiento. A pesar de dichas ventajas en cuanto a
implementación y mantenimiento, tiene un gran inconveniente, al
producirse grandes pérdidas de carga en los dampers que se traducen en
unas pérdidas elevadas de energía en el sistema de ventilación.
3.2.2. Regulación de gasto mediante recirculación del gasto desplazado.
Este método de regulación consiste en recircular una fracción del flujo
desplazado por el ventilador para adecuar el gasto no recirculado a las
necesidades del proceso (figura 3.9).
Este método es sencillo de implementar y de fácil mantenimiento pero su
mayor inconveniente es que el ventilador desplaza un gasto superior al
utilizado en el proceso, por lo que el gasto desplazado sobrante, al
recircularse, se traduce en pérdidas en el sistema de ventilación. Se
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observa que la energía consumida por el ventilador para desplazar el gasto
sobrante se desaprovecha en términos de eficiencia.
Figura 3.9. Colocación de un conducto de recirculación para regulación del gasto.
El ventilador siempre funciona a gasto y velocidad nominal, por lo que la
característica gasto – presión del mismo permanece inalterada. En este
método de regulación de gasto la característica del sistema tampoco varía
ya que las pérdidas de carga y la configuración del mismo no varían (figura
3.10). El ventilador funciona en el punto nominal P1 desplazando un gasto
Q1 y suministrando una presión p1, para regular el gasto que recibe el
sistema a Q2 se recircula un gasto desplazado q = Q3 - Q2, desplazando el
ventilador un gasto Q3 y suministrando una presión p2.
3.2.3. Regulación de gasto mediante accionamiento mecánico o
hidráulico.
Este método de recirculación consiste en interponer entre el motor y el
ventilador del sistema un variador de velocidad mecánico o hidráulico.
Estos dispositivos de transmisión permiten obtener una velocidad de salida
deseada ante una velocidad de entrada (figura 3.11).
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Figura 3.10. Estrategia de regulación de gasto mediante la recirculación del gasto desplazado.
Figura 3.11. Diagrama de funcionamiento de un accionamiento hidráulico o mecánico.
La estrategia de regulación consiste en mantener el motor en
funcionamiento a velocidad nominal, para obtener la velocidad deseada a
la salida del accionamiento. Dicha velocidad deseada será a la que gire el
ventilador. Variando la velocidad de funcionamiento del ventilador se
puede variar la característica gasto – presión del mismo, con dicha
variación se pueden obtener cruces con la característica del sistema, que
permanece inalterada, en un punto de funcionamiento gasto – presión
deseado (figura 3.12).
AHORRO ENERGÉTICO EN ACCIONAMIENTOS DE VELOCIDAD VARIABLE
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Figura 3.12. Desplazamiento de los puntos de funcionamiento al variar la velocidad del ventilador mediante accionamiento mecánico o hidráulico.
La variación de la característica de un ventilador al variar su velocidad
sigue la Ley de Semejanza de las Máquinas Hidráulicas aplicadas a
ventiladores (3.1) y (3.2).
3.2.4. Regulación de gasto mediante palas guía a la entrada de ángulo
variable.
Este método de regulación consiste en colocar en la entrada del ventilador
(succión) unas palas guía del flujo de entrada al mismo. El ángulo de
inclinación de dichas palas guía es variable, por lo que se puede ajustar
para regular el flujo de entrada al ventilador (figura 3.13). Con dichas palas
se puede crear una pérdida de presión en el ventilador que se traduce en
una reducción de la presión que proporciona el mismo, que se acentúa aún
más a mayores caudales (figura 3.14).
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Figura 3.13. Colocación de palas guía de ángulo variable a la entrada del ventilador.
Figura 3.14. Variación de la curva gasto - presión de un ventilador al variar las palas guía a la entrada.
Este método es sencillo de implementar pero su mayor inconveniente es
que para regular el flujo en el ventilador, se incurre en elevadas pérdidas
en las palas de entrada, debido a las pérdidas de presión que se da en las
mismas.
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La característica del ventilador varía reduciendo la presión que aporta al
fluido (figura 3.14). En este método de regulación de gasto la característica
del sistema no varía ya que las pérdidas de carga y la configuración del
mismo no varían. Esto es debido a que las palas guía a la entrada influyen
directamente sobre el ventilador, entendiendo como sistema lo que se
encuentra “aguas arriba” del mismo (figura 3.15). El ventilador funciona en
el punto nominal P1 desplazando un gasto Q1 y suministrando al fluido una
presión p1, para regular el gasto que recibe el sistema a Q2 se cambia el
ángulo de las palas de entrada, variando la curva del ventilador hasta que
el cruce con al característica del sistema sea P2, suministrando una presión
p2.
Figura 3.15. Estrategia de regulación de gasto mediante palas guía a la entrada de ángulo variable.
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3.2.5. Regulación de gasto mediante accionamiento eléctrico.
Este método de regulación consiste en interponer entre la fuente de
alimentación y el motor un accionamiento eléctrico. Estos dispositivos
proporcionan una velocidad de giro del motor deseada variando la
frecuencia de alimentación al mismo (figura 3.16). Dicha velocidad deseada
será a la que gire el ventilador. Variando la velocidad de funcionamiento
del ventilador se puede variar la característica gasto – presión del mismo, y
con dicha variación se pueden obtener cruces con la característica del
sistema, que permanece inalterada, en un punto de funcionamiento gasto
– presión deseado (figura 3.17).
Figura 3.16. Diagrama de funcionamiento de un accionamiento eléctrico.
Figura 3.17. Desplazamiento de los puntos de funcionamiento al variar la velocidad del ventilador mediante accionamiento eléctrico.
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La variación de la característica de un ventilador al variar la velocidad
sigue la Ley de Semejanza de las Máquinas Hidráulicas aplicadas a
ventiladores (3.1) y (3.2).
3.3. Ahorro energético con accionamientos eléctricos.
Con la inserción de un accionamiento eléctrico para la regulación de gasto
en una instalación de ventilación se pueden conseguir unos ahorros
energéticos elevadísimos, ya que éste es el método de regulación más
eficiente de todos.
Si se instalan unos dampers, se realiza una recirculación, se utiliza un
accionamiento mecánico o hidráulico, o se instalan unas palas guía a la
entrada en una instalación de ventilación se incurre en un gasto menor de
inversión que el que supone la compra de un accionamiento eléctrico, pero
si se analizan los costes asociados a un mayor consumo de energía a lo largo
de los años de vida del accionamiento, se puede observar como el método
de regulación de gasto por accionamiento eléctrico es el más conveniente.
3.3.1. Ahorro energético frente a regulación de gasto mediante
dampers.
Comparando los dos métodos desde el punto de vista energético, se puede
observar que mediante la inserción en una instalación de un accionamiento
eléctrico en vez de unos dampers para regular el gasto se pueden conseguir
ahorros energéticos elevados. La ventaja de instalar unos dampers es que
son sencillos de instalar, de poco mantenimiento y de un coste de inversión
inicial bajo, pero hay que analizar otra serie de puntos a la hora de
emprender un proyecto de inversión energético, como son los costes
derivados del pago de la energía a lo largo de la vida del accionamiento.
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La potencia consumida por un ventilador se expresa por (3.5).
0V
pV
pQkP
ρ⋅η
⋅⋅ρ⋅= (3.5)
donde:
PV = Potencia consumida por el ventilador, W.
ρ = Densidad del aire que se desplaza, kg/m3.
Q = Gasto de fluido desplazado, m3/s.
ηV = Rendimiento del ventilador.
p = Presión proporcionada por el ventilador, Pa.
ρ0= Densidad del aire a 20 ºC, kg/m3.
kp= Coeficiente, p.u.
El coeficiente kp depende de la presión estática absoluta del aire en el
conducto de entrada al ventilador pta (3.6).
η⋅⋅−=
ta
Vp p
p0035.01k (3.6)
Cuando se utiliza un sistema de control de gasto por dampers, la potencia
consumida por el sistema de ventilación se expresa por (3.7).
m0V
p
m
V pQkPP
η⋅ρ⋅η
⋅⋅ρ⋅=
η= (3.7)
donde:
PV = Potencia consumida por el ventilador, W.
AHORRO ENERGÉTICO EN ACCIONAMIENTOS DE VELOCIDAD VARIABLE
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ρ = Densidad del aire que se desplaza, kg/m3.
Q = Gasto de fluido desplazado, m3/s.
ηV = Rendimiento del ventilador.
p = Presión proporcionada por el ventilador, Pa.
ρ0= Densidad del aire a 20 ºC, kg/m3.
kp= Coeficiente, p.u.
ηm = Rendimiento del motor.
Cuando se utiliza un sistema de control de gasto por accionamiento
eléctrico, la potencia consumida por el sistema de ventilación se expresa
por (3.8).
accm0V
p
accm
V pQkPP
η⋅η⋅ρ⋅η
⋅⋅ρ⋅=
η⋅η= (3.8)
donde:
PV = Potencia consumida por el ventilador, W.
ρ = Densidad del aire que se desplaza, kg/m3.
Q = Gasto de fluido desplazado, m3/s.
ηV = Rendimiento del ventilador.
p = Presión proporcionada por el ventilador, Pa.
ρ0= Densidad del aire a 20 ºC, kg/m3.
kp= Coeficiente, p.u.
ηm = Rendimiento del motor.
ηacc = Rendimiento del accionamiento eléctrico.
El ventilador funcionará en un punto gasto – presión que vendrá
determinado por el cruce de la característica gasto – presión del ventilador
y la característica gasto – presión del sistema (figura 3.18). Si se considera
el punto P1 de la figura 3.18 como punto de funcionamiento nominal con un
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gasto nominal de funcionamiento Q1 y una presión nominal de
funcionamiento p1, y se quiere regular el gasto por necesidad del proceso a
Q2, se tendrá un nuevo punto de funcionamiento P2 o P3 (para método de
regulación por dampers y accionamiento eléctrico respectivamente) como
cruce de ambas características del sistema y del ventilador. Este nuevo
cruce proporcionará una presión de funcionamiento p2 o p3
respectivamente.
Figura 3.18. Comparativa de puntos de funcionamiento dampers - accionamiento eléctrico.
Se comparará la energía consumida por el ventilador en ambos puntos P2 y
P3 (3.9) y (3.10).
02V
222p2
pQkP
ρ⋅η
⋅⋅ρ⋅= (3.9)
03V
333p3
pQkP
ρ⋅η
⋅⋅ρ⋅= (3.10)
AHORRO ENERGÉTICO EN ACCIONAMIENTOS DE VELOCIDAD VARIABLE
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Se puede observar en la figura 3.18 que p3 < p2 y que Q2 = Q3. La densidad ρ
del fluido no varía al considerar en ventiladores el funcionamiento a ρ=cte.
Si se busca el punto homólogo del P3 a velocidad nominal (la del punto P1)
se obtiene el punto P4 cumpliéndose que ηV3 = ηV4. Al estar en la curva
gasto – presión del ventilador el punto P4 más cerca del punto de
funcionamiento nominal P1 que el P2 poseerá un rendimiento mayor que
este (figura 3.19), por lo que se cumple que ηV2 < ηV4 = ηV3.
Figura 3.19. Comparación de rendimientos de P2 y P3.
Resumiendo se obtiene que:
§ p3 < p2
§ kp2 ≅ kp3
§ Q3 = Q2
§ ηV2 < ηV3
§ P3 < P2
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Por lo que queda constatado que utilizando un método de regulación por
accionamiento eléctrico frente a una regulación por dampers se produce
una reducción de la energía demandada por el ventilador para un gasto de
servicio. El ahorro obtenido en el ventilador viene dado por 3.11.
η
⋅−
η
⋅⋅
ρ⋅ρ
=−=3V
33p
2V
22p
0
232
pkpkQPPAhorro (3.11)
Si se obvian las constantes y el ahorro debido a la diferencia de
rendimientos, y se tiene en cuenta que los coeficientes kp2 y kp3 difieren
muy poco, se puede representar cualitativamente el ahorro obtenido en el
ventilador en la figura 3.20.
Figura 3.20. Representación cualitativa del ahorro obtenido mediante la utilización de un accionamiento eléctrico frente a unos dampers.
Ahora se estudiará el consumo de energía del sistema de ventilación para
cada método de regulación. Para el método de regulación de gasto
mediante dampers la energía consumida por el sistema de ventilación viene
dada por (3.7).
AHORRO ENERGÉTICO EN ACCIONAMIENTOS DE VELOCIDAD VARIABLE
96
Para el método de regulación de gasto mediante accionamiento eléctrico la
energía consumida por el sistema de ventilación viene dada por (3.8).
Como se puede observar en el cálculo de la potencia consumida por el
sistema de ventilación, en el caso de la regulación de gasto por
accionamiento eléctrico se tiene un término en el divisor no considerado en
el caso de la regulación de gasto por dampers que es el rendimiento del
accionamiento ηacc. Podría parecer que este término hace que se ahorre
menos energía cuando se opta por un accionamiento eléctrico con respecto
a otros métodos, y así es, lo que ocurre es que el rendimiento de un
accionamiento eléctrico es muy elevado en un amplio rango de velocidades
de funcionamiento del motor, por lo que el impacto de este término es
mínimo y es compensado con creces por el ahorro en el consumo del
ventilador.
En cuanto a los rendimientos del motor ηm2 y ηm3 funcionando en los puntos
P2 y P3 respectivamente no suelen diferir mucho, además el motor
necesario en el proceso al utilizar un accionamiento eléctrico para regular
el gasto frente a otros métodos de regulación es de menor potencia y por lo
tanto de menor dimensión. Esto es debido a que las solicitaciones de
potencia por parte del ventilador son menores en el caso de la utilización
de un accionamiento eléctrico como ya se ha visto.
Por lo que resumiendo se tiene:
§ P3 < P2
§ kp2 ≅ kp3
§ ηacc ≅ 1
§ ηm2 ≅ ηm3
§ Psist3 < Psist2
AHORRO ENERGÉTICO EN ACCIONAMIENTOS DE VELOCIDAD VARIABLE
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El ahorro obtenido en el sistema de ventilación al implantar un método de
regulación de gasto mediante accionamiento eléctrico frente a uno
mediante dampers se expresa en (3.12).
η⋅η⋅η
⋅−
η⋅η
⋅⋅
ρ⋅ρ
=
=η⋅η
−η
=−=
acc3m3V
33p
2m2V
22p
0
2
acc3m
3
2m
23sist2sistsist
pkpkQ
PPPPAhorro
(3.12)
3.3.2. Ahorro energético frente a regulación de gasto mediante
recirculación del gasto desplazado.
Comparando los dos métodos desde el punto de vista energético, se puede
observar que mediante la inserción en una instalación de un accionamiento
eléctrico en vez de realizar una recirculación del gasto desplazado para
regular el gasto se pueden conseguir ahorros energéticos elevados. La
ventaja de realizar una recirculación es que es sencilla de realizar y
controlar, requiere poco mantenimiento y un coste de inversión inicial
mínimo, pero hay que analizar otra serie de puntos a la hora de emprender
un proyecto de inversión energético, como son los costes derivados del
pago de la energía a lo largo de la vida del proyecto.
Cuando se utiliza un sistema de control de gasto por recirculación del gasto
desplazado, la potencia consumida por el sistema de ventilación se expresa
por (3.13).
m0V
p
m
V pQkPP
η⋅ρ⋅η
⋅⋅ρ⋅=
η= (3.13)
donde:
PV = Potencia consumida por el ventilador, W.
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ρ = Densidad del aire que se desplaza, kg/m3.
Q = Gasto de fluido desplazado, m3/s.
ηV = Rendimiento del ventilador.
p = Presión proporcionada por el ventilador, Pa.
ρ0= Densidad del aire a 20 ºC, kg/m3.
kp= Coeficiente, p.u.
ηm = Rendimiento del motor.
Cuando se utiliza un sistema de control de gasto por accionamiento
eléctrico, la potencia consumida por el sistema de ventilación se expresa
por (3.8).
El ventilador funcionará en un punto gasto – presión que vendrá
determinado por el cruce de la característica gasto – presión del ventilador
y la característica gasto – presión del sistema, como se puede ver en la
figura 3.21. Si se considera el punto P1 de la figura 3.21 como punto de
funcionamiento nominal con un gasto nominal de funcionamiento Q1 y una
presión nominal de funcionamiento p1, y se quiere regular el gasto por
necesidad del proceso a Q2, se tendrá un nuevo punto de funcionamiento P3
o P2 (para método de regulación por recirculación y accionamiento
eléctrico respectivamente) como cruce de ambas características del
sistema y del ventilador. Este nuevo cruce proporcionará una presión de
funcionamiento p3 o p2 respectivamente, que en este caso son iguales.
Se comparará la energía consumida por el ventilador en ambos puntos P2 y
P3 (3.14) y (3.15).
AHORRO ENERGÉTICO EN ACCIONAMIENTOS DE VELOCIDAD VARIABLE
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Figura 3.21. Comparativa de puntos de funcionamiento recirculación del gasto desplazado - accionamiento eléctrico.
02V
222p2
pQkP
ρ⋅η
⋅⋅ρ⋅= (3.14)
03V
333p3
pQkP
ρ⋅η
⋅⋅ρ⋅= (3.15)
Se puede observar en la figura 3.21 que p3 = p2 y que Q3 > Q2. La densidad ρ
del fluido no varía al considerar en ventiladores el funcionamiento a ρ=cte.
Si se busca el punto homólogo del P2 a velocidad nominal (la del punto P1)
se obtiene el punto P4 cumpliéndose que ηV2 = ηV4. Al estar normalmente en
la curva gasto – presión del ventilador el punto P4 más cerca del punto de
funcionamiento nominal P1 que el P3 (figura 3.22) poseerá un rendimiento
mayor que este, por lo que se cumple que ηV3 < ηV4 = ηV2.
AHORRO ENERGÉTICO EN ACCIONAMIENTOS DE VELOCIDAD VARIABLE
100
Figura 3.22. Comparación de rendimientos de P2 y P3.
Resumiendo se obtiene que:
§ p3 = p2
§ kp2 ≅ kp3
§ Q2 < Q3
§ ηV2 < ηV3 (en la mayoría de los casos)
§ P2 < P3
Por lo que queda constatado que utilizando un método de regulación por
accionamiento eléctrico frente a una recirculación del gasto desplazado se
produce una reducción de la energía demandada por el ventilador para un
gasto de servicio. El ahorro obtenido en el ventilador viene dado por (3.16).
η
⋅−
η
⋅⋅
ρ⋅ρ
=−=2V
22p
3V
33p
0
223
QkQkpPPAhorro (3.16)
Si se obvian las constantes y el ahorro debido a la diferencia de
rendimientos, y se tiene en cuenta que los coeficientes kp2 y kp3 difieren
AHORRO ENERGÉTICO EN ACCIONAMIENTOS DE VELOCIDAD VARIABLE
101
muy poco, se puede representar cualitativamente el ahorro obtenido en el
ventilador en la figura 3.23.
Figura 3.23. Representación cualitativa del ahorro obtenido mediante la utilización de un accionamiento eléctrico frente a recirculación del gasto desplazado.
Ahora se estudiará el consumo de energía del sistema de ventilación para
cada método de regulación. Para el método de regulación de gasto
mediante recirculación del gasto desplazado la energía consumida por el
sistema de ventilación viene dada por (3.13).
Para el método de regulación de gasto mediante accionamiento eléctrico la
energía consumida por el sistema de ventilación viene dada por (3.8).
En cuanto a los rendimientos del motor ηm2 y ηm3 funcionando en los puntos
P2 y P3 respectivamente no suelen diferir mucho, además el motor
necesario en el proceso al utilizar un accionamiento eléctrico para regular
el gasto frente a otros métodos de regulación es de menor potencia y por lo
tanto de menor dimensión. Esto es debido a que las solicitaciones de
potencia por parte del ventilador son menores en el caso de la utilización
de un accionamiento eléctrico como ya se ha visto.
AHORRO ENERGÉTICO EN ACCIONAMIENTOS DE VELOCIDAD VARIABLE
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Por lo que resumiendo se tiene:
§ P2 < P3
§ ηacc ≅ 1
§ ηm2 ≅ ηm3
§ kp2 ≅ kp3
§ Psist2 < Psist3
El ahorro obtenido en el sistema de ventilación al implantar un método de
regulación de gasto mediante accionamiento eléctrico frente a uno
mediante recirculación del gasto desplazado se expresa en (3.17).
η⋅η⋅η
⋅−
η⋅η
⋅⋅
ρ⋅ρ
=
=η⋅η
−η
=−=
2acc2m2V
22p
3m3V
33p
0
2
2acc2m
2
3m
32sist3sistsist
QkQkp
PPPPAhorro
(3.17)
3.3.3. Ahorro energético frente a regulación de gasto mediante
accionamiento mecánico o hidráulico.
Comparando los dos métodos desde el punto de vista energético, se puede
observar que mediante la inserción en una instalación de un accionamiento
eléctrico en vez un accionamiento mecánico o hidráulico para regular el
gasto se pueden conseguir ahorros energéticos elevados. La ventaja de
utilizar un accionamiento mecánico o hidráulico es que son más robustos,
requieren menor mantenimiento y tienen un coste de inversión inicial
menor, pero hay que analizar otra serie de puntos a la hora de emprender
un proyecto de inversión energético, como son los costes derivados del
pago de la energía a lo largo de la vida del proyecto.
AHORRO ENERGÉTICO EN ACCIONAMIENTOS DE VELOCIDAD VARIABLE
103
Cuando se utiliza un sistema de control de gasto por accionamiento
mecánico o hidráulico, la potencia consumida por el sistema de ventilación
se expresa por (3.18).
accmhm0V
p
accmhm
V pQkPP
η⋅η⋅ρ⋅η
⋅⋅ρ⋅=
η⋅η= (3.18)
donde:
PV = Potencia consumida por el ventilador, W.
ρ = Densidad del aire que se desplaza, kg/m3.
Q = Gasto de fluido desplazado, m3/s.
ηV = Rendimiento del ventilador.
p = Presión proporcionada por el ventilador, Pa.
ρ0= Densidad del aire a 20 ºC, kg/m3.
kp= Coeficiente, p.u.
ηm = Rendimiento del motor.
ηaccmh = Rendimiento del accionamiento mecánico o hidráulico.
Cuando se utiliza un sistema de control de gasto por accionamiento
eléctrico, la potencia consumida por el sistema de ventilación se expresa
por (3.8).
El ventilador funcionará en un punto gasto – presión que vendrá
determinado por el cruce de la característica gasto – presión del ventilador
y la característica gasto – presión del sistema (figura 3.24). Si se considera
el punto P1 de la figura 3.24 como punto de funcionamiento nominal con un
gasto nominal de funcionamiento Q1 y una presión nominal de
funcionamiento p1, y se quiere regular el gasto por necesidad del proceso a
Q2, se tendrá un nuevo punto de funcionamiento P2 o P3 (para método de
regulación mediante accionamiento mecánico o hidráulico y accionamiento
eléctrico respectivamente) como cruce de ambas características del
AHORRO ENERGÉTICO EN ACCIONAMIENTOS DE VELOCIDAD VARIABLE
104
sistema y del ventilador. Este nuevo cruce proporcionará una presión de
funcionamiento p2 o p3 respectivamente. En este caso al utilizar ambos
métodos la misma estrategia de regulación, los puntos P2 y P3 coinciden.
Figura 3.24. Comparativa de puntos de funcionamiento accionamiento mecánico o hidráulico - accionamiento eléctrico.
Ahora se estudiará el consumo de energía del sistema de ventilación para
cada método de regulación. Para el método de regulación de gasto
mediante accionamiento mecánico o hidráulico la energía consumida por el
sistema de ventilación viene dada por (3.18).
Para el método de regulación de gasto mediante accionamiento eléctrico la
energía consumida por el sistema de ventilación viene dada por (3.8).
En cuanto a los rendimientos del motor ηm2 y ηm3 como los puntos P2 y P3
son coincidentes se cumple ηm2 = ηm3. En lo que se consigue un mayor
ahorro del sistema de regulación de gasto mediante accionamiento
eléctrico frente al mecánico o hidráulico es en su rendimiento. Mientras
que los accionamientos mecánicos o hidráulicos funcionan a rendimientos
AHORRO ENERGÉTICO EN ACCIONAMIENTOS DE VELOCIDAD VARIABLE
105
aceptables en un rango muy estrecho de velocidades, el accionamiento
eléctrico mantiene un alto rendimiento en un rango de velocidades muy
amplio. Esto produce un elevado ahorro especialmente a velocidades bajas
donde el accionamiento mecánico o hidráulico sufre un descenso acentuado
de su rendimiento.
El ahorro obtenido en el sistema de ventilación al implantar un método de
regulación de gasto mediante accionamiento eléctrico frente a uno
mediante accionamiento mecánico o hidráulico se expresa en (3.19).
η
−η
⋅ρ⋅η⋅η
⋅⋅ρ⋅=
=η⋅η
−η⋅η
=−=
3acc2accmh02V2m
222p
3acc3m
3
2accmh2m
23sist2sistsist
11pQk
PPPPAhorro
(3.19)
3.3.4. Ahorro energético frente a regulación de gasto mediante palas
guía a la entrada del ventilador.
Comparando los dos métodos desde el punto de vista energético, se puede
observar que mediante la inserción en una instalación de un accionamiento
eléctrico en vez de palas guía a la entrada para regular el gasto se pueden
conseguir ahorros energéticos elevados. La ventaja de utilizar palas guía a
la entrada es que son más robustas, requieren menor mantenimiento y
tienen un coste de inversión inicial menor, pero hay que analizar otra serie
de puntos a la hora de emprender un proyecto de inversión energético,
como son los costes derivados del pago de la energía a lo largo de la vida
del proyecto.
Cuando se utiliza un sistema de control de gasto por palas guía a la
entrada, la potencia consumida por el sistema de ventilación se expresa
por (3.20).
AHORRO ENERGÉTICO EN ACCIONAMIENTOS DE VELOCIDAD VARIABLE
106
m0V
p
m
V pQkPP
η⋅ρ⋅η
⋅⋅ρ⋅=
η= (3.20)
donde:
PV = Potencia consumida por el ventilador, W.
ρ = Densidad del aire que se desplaza, kg/m3.
Q = Gasto de fluido desplazado, m3/s.
ηV = Rendimiento del ventilador.
p = Presión proporcionada por el ventilador, Pa.
ρ0= Densidad del aire a 20 ºC, kg/m3.
kp= Coeficiente, p.u.
ηm = Rendimiento del motor.
Cuando se utiliza un sistema de control de gasto por accionamiento
eléctrico, la potencia consumida por el sistema de ventilación se expresa
por (3.8).
El ventilador funcionará en un punto gasto – presión que vendrá
determinado por el cruce de la característica gasto – presión del ventilador
y la característica gasto – presión del sistema, como se puede ver en la
figura 3.25. Si se considera el punto P1 de la figura 3.25 como punto de
funcionamiento nominal con un gasto nominal de funcionamiento Q1 y una
presión nominal de funcionamiento p1, y se quiere regular el gasto por
necesidad del proceso a Q2, se tendrá un nuevo punto de funcionamiento P2
o P3 (para método de regulación mediante palas guía a la entrada y
accionamiento eléctrico respectivamente) como cruce de ambas
características del sistema y del ventilador. Este nuevo cruce proporcionará
una presión de funcionamiento p2 o p3 respectivamente. En este caso, los
puntos P2 y P3 coinciden.
AHORRO ENERGÉTICO EN ACCIONAMIENTOS DE VELOCIDAD VARIABLE
107
Figura 3.25. Comparativa de puntos de funcionamiento palas guía a la entrada - accionamiento eléctrico.
Se comparará la energía consumida por el ventilador en los puntos P3 y P2
coincidentes (3.21) y (3.22).
02V
222p2
pQkP
ρ⋅η
⋅⋅ρ⋅= (3.21)
03V
333p3
pQkP
ρ⋅η
⋅⋅ρ⋅= (3.22)
Aún siendo P2 y P3 coincidentes, el consumo por parte del ventilador para
los dos métodos de regulación no es el mismo, ya que al variar la curva del
ventilador de forma diferente para cada método para alcanzar los puntos P2
y P3, los rendimientos en dichos puntos para el ventilador no coinciden. Ahí
es donde reside el ahorro energético al utilizar un accionamiento eléctrico
para la regulación del gasto, en vez de unas palas guía a la entrada del
ventilador. Al existir pérdidas en las palas guía a la entrada del ventilador
que no existen en la regulación de gasto mediante accionamiento eléctrico,
AHORRO ENERGÉTICO EN ACCIONAMIENTOS DE VELOCIDAD VARIABLE
108
se cumplirá que ηV2 < ηV3, por lo que el consumo por parte del ventilador
cuando se regula el gasto del mismo mediante palas guía a la entrada es
mayor que cuando se regula el gasto del mismo mediante accionamiento
eléctrico.
Resumiendo se obtiene que:
§ p3 = p2
§ kp2 ≅ kp3
§ Q3 = Q2
§ ηV2 < ηV3
§ P3 < P2
El ahorro obtenido en el ventilador al implantar un método de regulación
de gasto mediante accionamiento eléctrico frente a uno mediante palas
guía a la entrada del ventilador se expresa en (3.23).
η
−η
⋅ρ
⋅⋅ρ⋅=−=
3V2V0
222p32
11pQkPPAhorro (3.23)
Ahora se estudiará el consumo de energía del sistema de ventilación para
cada método de regulación. Para el método de regulación de gasto
mediante palas guía a la entrada la energía consumida por el sistema de
ventilación viene dada por (3.20).
Para el método de regulación de gasto mediante accionamiento eléctrico la
energía consumida por el sistema de ventilación viene dada por (3.8).
Aún siendo los puntos P2 y P3 coincidentes, al variar el rendimiento del
ventilador en ese punto de un método de regulación a otro, la solicitación
de potencia al motor será más elevada cuando se regula el gasto mediante
palas guía a la entrada.
AHORRO ENERGÉTICO EN ACCIONAMIENTOS DE VELOCIDAD VARIABLE
109
En cuanto a los rendimientos del motor ηm2 y ηm3 no se conocen. Esto es
debido a que la solicitación de potencia por parte del ventilador es mayor
cuando se regula el gasto mediante palas guía a la entrada, pero se puede
tener en la instalación un motor dimensionado adecuadamente a la
solicitación de potencia del ventilador. Cuando se emprenda el proyecto de
inversión en la compra de un accionamiento eléctrico para la regulación del
gasto en el ventilador, quizás sea necesaria la compra de un motor de
menores dimensiones debido a que la solicitación de potencia por parte del
ventilador disminuye, por lo que el rendimiento del motor sería óptimo
también. Por todo esto en la mayoría de los casos se cumplirá que los
rendimientos son parecidos por lo que se tomará que ηm2 ≅ ηm3.
Resumiendo se obtiene que:
§ p3 = p2
§ kp2 ≅ kp3
§ Q3 = Q2
§ ηV2 < ηV3
§ ηm2 ≅ ηm3
§ P3 < P2
§ ηacc3 ≅ 1
El ahorro obtenido en el sistema de ventilación al implantar un método de
regulación de gasto mediante accionamiento eléctrico frente a uno
mediante palas guía a la entrada del ventilador se expresa en (3.24).
η⋅η⋅η
−η⋅η
⋅ρ
⋅⋅ρ=
=η⋅η
−η
=−=
3acc3m3V
3p
2m2V
2p
0
22
3acc3m
3
2m
23sist2sistsist
kkpQ
PPPPAhorro
(3.24)
AHORRO ENERGÉTICO EN ACCIONAMIENTOS DE VELOCIDAD VARIABLE
110
3.4. Descripción del programa informático ESIVENTILADOR 1.0.
ESIVENTILADOR 1.0. es una herramienta informática de cálculo en Microsoft
Excel que estima la energía ahorrada cuando se instala en una instalación
de ventilación una regulación de gasto mediante un accionamiento
eléctrico en vez de otros métodos como son los dampers, la recirculación
del gasto desplazado, accionamiento mecánico o hidráulico, o palas guía a
la entrada del ventilador.
ESIVENTILADOR 1.0. recoge la posibilidad de realizar los cálculos tanto con
unidades métricas internacionales como en unidades anglosajonas. La
herramienta dispone de unos campos de recepción de datos del usuario y
unos campos de resultados donde se apreciará no sólo el ahorro energético
calculado sino también el consecuente ahorro económico, disminución
equivalente de emisiones de CO2 a la atmósfera, así como otros resultados
de carácter económico como el cálculo del VAN del proyecto de inversión,
el periodo de amortización, etc.
A continuación, se describirá cómo realiza la herramienta informática los
cálculos necesarios para llegar a los resultados finales.
3.4.1. Tratamiento de datos del ventilador.
Los datos del ventilador que son necesarios para los cálculos son:
§ Curva gasto – presión.
§ Curva gasto – rendimiento.
§ Punto de funcionamiento nominal (gasto y presión nominal) Qn y pn.
§ Velocidad de funcionamiento nominal.
AHORRO ENERGÉTICO EN ACCIONAMIENTOS DE VELOCIDAD VARIABLE
111
3.4.1.1. Curva gasto – presión.
La introducción de la curva gasto – presión del ventilador se realizará punto
por punto mediante unos campos a rellenar. Se pueden seleccionar cuantos
puntos se desea introducir con un mínimo de 3 y un máximo de 10 puntos.
El tratamiento informático de los puntos se ha realizado por interpolación.
Dicho tratamiento varía dependiendo del número de puntos introducidos
para definir la curva.
El programa tiene información de 3 a 10 puntos dependiendo del criterio
del usuario. En el tratamiento informático se trata de realizar un
interpolante que pase por la cantidad de puntos seleccionada por el usuario
y permita la representación gráfica de una curva, además de la evaluación
del valor (Q,p) de puntos de la curva no introducidos por el usuario. El
interpolante utilizado en este caso es especial, se obtendrá “a trozos”. Se
realizará la explicación para 10 puntos que es el caso más amplio, pero los
resultados se pueden extrapolar para 3 a 9 puntos. El interpolante utilizado
se obtiene de forma análoga al punto 2.4.1.1.2.
3.4.1.2. Curva gasto – rendimiento.
La introducción de la curva gasto – rendimiento del ventilador se realizará
punto por punto mediante unos campos a rellenar. Se pueden seleccionar
cuantos puntos se desea introducir con un mínimo de 7 y un máximo de 10
puntos. Se ha tomado un mínimo de 7 y no de 3 puntos como en el caso de
la curva gasto – presión porque se estima que con un número de puntos
inferior a 7 la curva obtenida por interpolación no reflejaría con exactitud
aceptable la curva gasto – rendimiento del ventilador.
AHORRO ENERGÉTICO EN ACCIONAMIENTOS DE VELOCIDAD VARIABLE
112
El tratamiento informático de los puntos se ha realizado por interpolación.
Dicho tratamiento varía dependiendo del número de puntos introducidos
para definir la curva.
En el tratamiento informático se trata de realizar un interpolante que pase
por la cantidad de puntos seleccionados por el usuario y permita la
representación gráfica de una curva, además de la evaluación del valor
(Q,η) de puntos de la curva no introducidos por el usuario. El interpolante
utilizado en este caso es especial, se obtendrá “a trozos”. Se realizará la
explicación para 10 puntos que es el caso más amplio, pero los resultados
se pueden extrapolar para 7 a 9 puntos. El interpolante utilizado se obtiene
de forma análoga al punto 2.4.1.1.2.
3.4.2. Tratamiento de datos de funcionamiento.
En el programa existe un campo de entrada donde el usuario introducirá el
número de horas en un año en las que el ventilador estará funcionando.
Para analizar cuanto tiempo está funcionando el ventilador a distintos
gastos, se ha optado por utilizar 10 escalones de gasto (10% - 100 % del
gasto nominal). El usuario deberá introducir que porcentaje del tiempo de
funcionamiento anual funciona a un determinado gasto. Los datos
introducidos por el usuario vendrán representados en un gráfico adjunto.
3.4.3. Tratamiento de datos del sistema.
El programa proporciona un campo de entrada para la introducción de la
densidad del aire a la temperatura ambiente media a la que estará el fluido
en el sistema.
También se proporciona en el programa un campo de entrada para la
introducción de la presión estática a la entrada del sistema. Esta presión
depende de la aplicación. Si no se conoce su valor pueden tomarse 101.3
AHORRO ENERGÉTICO EN ACCIONAMIENTOS DE VELOCIDAD VARIABLE
113
kPa que corresponden a la presión normal de aire atmosférico (1013 mbar).
La curva del sistema se puede obtener construyendo una parábola que
posea el vértice en el punto P1(0,0), y el punto P2 definido por una presión
p2 = pn y un gasto Q2 = Qn. Siendo pn la presión de funcionamiento nominal y
Qn el gasto de funcionamiento nominal (3.25).
2QAp ⋅= (3.25)
Imponiendo el paso por el punto P1 se obtiene (3.26).
C0CQAp 211 =→+⋅= (3.26)
Imponiendo el paso por el punto P2 se obtiene (3.27).
2n
n2nn
222
Q
pAQApQAp =→⋅=→⋅= (3.27)
Por lo que la curva del sistema vendrá definida por (3.28).
22n
n QQ
pp ⋅
= (3.28)
Mediante esta expresión se podrán definir todos los puntos que se deseen
en la curva del sistema.
3.4.4. Sistema de medida.
Todos los cálculos podrán ser realizados por el programa ESIVENTILADOR
1.0. tanto en unidades métricas internacionales como en unidades
anglosajonas. Dicha opción deberá ser seleccionada por el usuario,
exponiéndose todos los resultados en las unidades seleccionadas.
AHORRO ENERGÉTICO EN ACCIONAMIENTOS DE VELOCIDAD VARIABLE
114
3.4.4.1. Sistema métrico internacional.
Las unidades métricas internacionales utilizadas en el programa
ESIVENTILADOR 1.0. se muestran en la tabla 3.1.
Tabla 3.1
Concepto Unidad Expresión
Gasto metro cúbico por segundo m3/ s
Presión pascal Pa
Velocidad de giro revoluciones por minuto r.p.m.
Tiempo de funcionamiento hora h
Densidad kilogramos por metro cúbico kg / m3
Potencia kilovatio kW
Tensión voltios V
Frecuencia hertzios Hz
Precio de la energía euro por kilovatio hora € / kWh
Vida útil año año
Ahorro energético anual kilovatio hora kWh
Reducción anual de CO2 kilogramo kg
Emisión de CO2 por unidad kilogramo por kilovatio hora kg / kWh
Período de amortización año año
3.4.4.2. Sistema métrico anglosajón.
Las unidades métricas estadounidenses utilizadas en el programa
ESIVENTILADOR 1.0. se muestran en la tabla 3.2.
AHORRO ENERGÉTICO EN ACCIONAMIENTOS DE VELOCIDAD VARIABLE
115
Tabla 3.2
Concepto Unidad Expresión
Gasto pie cúbico por minuto cfm
Presión pulgadas de altura de agua in-water
Velocidad de giro revoluciones por minuto r.p.m.
Tiempo de funcionamiento hora h
Densidad libra por pie cúbico lb / ft3
Potencia caballo de vapor hp
Tensión voltios V
Frecuencia hertzios Hz
Precio de la energía dólar por kilovatio hora $ / kWh
Vida útil año año
Ahorro energético anual kilovatio hora kWh
Reducción anual de CO2 libra lb
Emisión de CO2 por unidad libra por kilovatio hora lb / kWh
Período de amortización año año
3.4.4.3. Equivalencia entre los sistemas métricos utilizados.
La equivalencia entre los sistemas de medida utilizados en el programa
ESIVENTILADOR 1.0. se muestran en la tabla 3.3.
Tabla 3.3
Concepto Cantidad Ud. Sist. Internacional Cantidad Ud. Sist. Anglosajón
Gasto 1 m3 / s 2118.88 cfm
Presión 1 Pa 0.00402 in-water
Densidad 1 kg / m3 62.4280 lb / ft3
Potencia 1 kW 1.3410 hp
Peso 1 kg 2.2046 lb
AHORRO ENERGÉTICO EN ACCIONAMIENTOS DE VELOCIDAD VARIABLE
116
3.4.5. Tratamiento de datos del motor.
3.4.5.1. Cálculo de la potencia recomendada para un motor.
A la hora de afrontar la elección de un motor adecuado para un proceso
determinado el primer cálculo que se ha de realizar es la solicitación de
potencia del proceso al mismo. Con dicha potencia solicitada se podrá
seleccionar el motor en cuanto a potencia nominal.
El programa ESIVENTILADOR 1.0. realiza este cálculo, recomendando la
potencia nominal del motor a instalar para que dicho motor se ajuste de
manera óptima a las demandas de potencia del proceso que se esté
analizando. La estrategia tomada para obtener la potencia nominal
recomendada para un motor es la misma a la expuesta en el punto 2.4.5.1.
3.4.5.2. Tratamiento informático de datos de la curva carga –
rendimiento del motor.
El programa ESIVENTILADOR 1.0. requiere para el tratamiento informático
de la curva carga – rendimiento del motor al menos 6 puntos de la misma.
Se han tomado 6 puntos por considerar que son los mínimos requeridos si se
desean hacer unos cálculos con cierta seriedad y exactitud. En el
tratamiento informático se trata de realizar un interpolante que pase por
los 6 puntos y permita la representación gráfica de una curva, además de la
evaluación del valor (P,η) de puntos de la curva no introducidos por el
usuario. El interpolante utilizado se obtiene de forma análoga al punto
2.4.1.1.2.
AHORRO ENERGÉTICO EN ACCIONAMIENTOS DE VELOCIDAD VARIABLE
117
3.4.5.3. Tratamiento informático de datos de la curva velocidad de
funcionamiento – rendimiento del motor (caso de accionamiento
mecánico o hidráulico).
Se puede observar en el programa ESIVENTILADOR 1.0. que existen dos
cuadros independientes en cuanto a introducción de datos referentes al
motor. Uno de ellos se rellena cuando la regulación de gasto se realiza por
medio de dampers, recirculación del gasto desplazado o palas guía a la
entrada del ventilador, mientras que existe otro para rellenar en el caso de
que la regulación de gasto se realice por medio de accionamiento mecánico
o hidráulico. Esta diferenciación es debida a que los accionamientos
mecánicos e hidráulicos vienen acompañados normalmente del motor,
integrándose ambos, motor y accionamiento en una sola unidad compacta.
Al tratarse de una única unidad compacta (motor + accionamiento) los
rendimientos del motor vienen integrados en los rendimientos del conjunto
motor + accionamiento. En el caso de regulación de gasto mediante
accionamiento mecánico o hidráulico el rendimiento del conjunto depende
tanto de la carga solicitada en porcentaje sobre la potencia nominal como
de la velocidad a la que deba de funcionar el accionamiento (velocidad de
salida del mismo, a la que funciona el ventilador).
En este caso, como el rendimiento del conjunto depende tanto de la carga
en porcentaje con respecto a la potencia nominal como de la velocidad de
funcionamiento del accionamiento, se recepcionarán los datos con respecto
a dicha pareja de valores (carga y velocidad de funcionamiento). Para el
tratamiento informático de los datos, se tomará una simplificación,
realizando el tratamiento mediante una curva velocidad de funcionamiento
- rendimiento. Dicha simplificación es aceptable ya que al representarse el
rendimiento del conjunto con respecto a la velocidad de funcionamiento
como una familia de curvas, cada una para cada situación de carga (figura
2.17 y 2.18), se pueden localizar los puntos de rendimiento introducidos
por el usuario en dicha gráfica y trazar un interpolante velocidad de
AHORRO ENERGÉTICO EN ACCIONAMIENTOS DE VELOCIDAD VARIABLE
118
funcionamiento – rendimiento. Esto no podría realizarse si la variación del
rendimiento con respecto a la carga fuera brusca y no suave, situación que
se conoce que no es así. La progresión del rendimiento con respecto a la
carga es suave, por lo que dicha simplificación es válida. Otro aspecto a
tener en consideración es que debería de haber una relación entre la carga
y la velocidad de funcionamiento para realizar dicha simplificación. Esto
también se da en los procesos que se están analizando, porque si se regula
el gasto por medio de la variación de velocidad del ventilador mediante un
accionamiento, si disminuye la velocidad del accionamiento, la solicitación
de potencia en el proceso disminuye (figura 3.26).
Figura 3.26. Disminución de la potencia cedida al disminuir la velocidad del ventilador.
El programa ESIVENTILADOR 1.0 requiere para el tratamiento informático
de la curva velocidad – rendimiento del motor al menos 6 puntos de la
misma. Se han tomado 6 puntos por considerar que son los mínimos
requeridos si se desean hacer unos cálculos con cierta seriedad y exactitud.
En el tratamiento informático se trata de realizar un interpolante que pase
por los 6 puntos y permita la representación gráfica de una curva, además
de la evaluación del valor (N,η) de puntos de la curva no introducidos por
AHORRO ENERGÉTICO EN ACCIONAMIENTOS DE VELOCIDAD VARIABLE
119
el usuario. El interpolante utilizado se obtiene de forma análoga al punto
2.4.1.1.2.
3.4.6. Tratamiento de datos del accionamiento eléctrico.
3.4.6.1. Cálculo de la potencia recomendada para un accionamiento
eléctrico.
El caso de un accionamiento eléctrico es diferente al de un motor en
cuanto al cálculo de la potencia nominal recomendada para el mismo dado
un ciclo de trabajo. Debido a que un accionamiento no puede soportar
sobrecargas al igual que un motor, se ha optado por la primera opción que
se expuso en el punto 2.4.5.1 para el motor. Se ha tomado como potencia
recomendada nominal para el accionamiento la que resulta de calcular la
máxima solicitación de potencia que tendrá el mismo y aplicarle un
coeficiente de sobredimensionado de seguridad del 5 %.
3.4.6.2. Tratamiento informático de datos de la curva carga –
rendimiento del accionamiento eléctrico.
El rendimiento de un accionamiento eléctrico depende tanto de la carga
solicitada al mismo en porcentaje con respecto a la potencia nominal como
de la frecuencia de salida del accionamiento que alimenta al motor, se
recepcionarán los datos con respecto a dicha pareja de valores (carga y
frecuencia de salida). Para el tratamiento informático de los datos, se
tomará una simplificación, realizando el tratamiento mediante una curva
frecuencia de salida - rendimiento. Dicha simplificación es aceptable ya
que al representarse el rendimiento del accionamiento con respecto a la
carga como una familia de curvas, cada una para cada frecuencia de salida
(figura 2.22), se pueden localizar los puntos de rendimiento introducidos
por el usuario en dicha gráfica y trazar un interpolante frecuencia de salida
– rendimiento. Esto no podría realizarse si la variación del rendimiento con
AHORRO ENERGÉTICO EN ACCIONAMIENTOS DE VELOCIDAD VARIABLE
120
respecto a la frecuencia fuera brusca y no suave, situación que se conoce
que no es así. La progresión del rendimiento con respecto a la frecuencia
de salida es suave, por lo que dicha simplificación es válida. Otro aspecto a
tener en consideración es que debería de haber una relación entre la carga
y frecuencia para realizar dicha simplificación. Esto también se da en los
procesos que se están analizando, ya que si se regula el gasto por medio de
la variación de velocidad del ventilador (variación de frecuencia de salida
del accionamiento) mediante un accionamiento eléctrico, si disminuye la
frecuencia de salida del accionamiento, la solicitación de potencia en el
proceso disminuye (figura 3.26).
El programa ESIVENTILADOR 1.0 requiere para el tratamiento informático
de la curva frecuencia – rendimiento del motor al menos 6 puntos de la
misma. Se han tomado 6 puntos por considerar que son los mínimos
requeridos si se desean hacer unos cálculos con cierta seriedad y exactitud.
En el tratamiento informático se trata de realizar un interpolante que pase
por los 6 puntos y permita la representación gráfica de una curva, además
de la evaluación del valor (f,η) de puntos de la curva no introducidos por el
usuario. El interpolante utilizado se obtiene de forma análoga al punto
2.4.1.1.2.
3.4.7. Tratamiento informático de los datos económicos.
3.4.7.1. Moneda.
El programa ESIVENTILADOR 1.0. permite al usuario realizar los cálculos
económicos en unidades monetarias tanto europeas (€) como anglosajonas
($).
AHORRO ENERGÉTICO EN ACCIONAMIENTOS DE VELOCIDAD VARIABLE
121
3.4.7.2. Precio de la energía.
El usuario del programa ESIVENTILADOR 1.0. deberá introducir el coste
asociado al consumo energético de su proceso en €/kWh o $/kWh.
3.4.7.3. Aumento anual del coste de la energía.
El usuario del programa ESIVENTILADOR 1.0. deberá introducir el
porcentaje de aumento esperado anual del coste asociado al consumo
energético de su proceso.
3.4.7.4. Coste de la inversión.
El usuario del programa ESIVENTILADOR 1.0. deberá introducir el
desembolso inicial de llevar a cabo el proyecto de instalación de un
accionamiento eléctrico. Además, se deberá incluir, si procede, el
desembolso inicial de un posible cambio de motor para el proceso (opción
de mejora también contemplada en el programa ESIVENTILADOR 1.0.).
3.4.7.5. Tasa de interés.
Se utiliza para calcular el valor cronológico del dinero y está asociado a la
estructura financiera de la empresa o a las condiciones del mercado
financiero. Se denota por k y representa el interés anual generado al
invertir un capital.
3.4.7.6. Horizonte temporal del proyecto de inversión.
Es el tiempo usualmente expresado en años que transcurre desde el inicio
de la inversión (desembolso inicial) hasta que el proyecto de inversión deja
de producir ingresos. En el caso que se estudia, sería el tiempo expresado
en años desde que se compra el accionamiento hasta que el accionamiento
AHORRO ENERGÉTICO EN ACCIONAMIENTOS DE VELOCIDAD VARIABLE
122
deja de ser útil, queda obsoleto y debe ser reemplazado. Por ello, si el
proyecto de inversión es la compra de una máquina industrial, el horizonte
temporal pasa a llamarse vida útil de la misma.
3.4.8. Resultados.
El programa ESIVENTILADOR 1.0. a través de todos los datos introducidos
proporciona una serie de resultados. Dichos resultados constatarán el
objetivo del proyecto, ya que se podrá comprobar mediante los mismos, la
rentabilidad de realizar el desembolso inicial en la compra de un
accionamiento eléctrico.
3.4.8.1. Gráfico comparativo de energía consumida.
En dicho gráfico se representa la energía anual consumida regulando el
gasto del ventilador por medio de un accionamiento eléctrico con la
energía anual consumida al regular el gasto del mismo por medio de otro
método seleccionado.
3.4.8.2. Reducción anual de emisiones de CO2.
Representa la cantidad anual de CO2 que no se emite al ambiente en las
centrales térmicas debido al ahorro energético anual conseguido al instalar
un accionamiento eléctrico para la regulación del gasto del ventilador
(2.43).
3.4.8.3. Ahorro económico anual medio.
Es el ahorro económico anual derivado del ahorro energético anual
conseguido al instalar un accionamiento eléctrico para la regulación del
gasto del ventilador. Se calcula el ahorro económico anual medio porque el
AHORRO ENERGÉTICO EN ACCIONAMIENTOS DE VELOCIDAD VARIABLE
123
precio de la energía puede variar a lo largo de la vida útil del
accionamiento (2.44).
3.4.8.4. Período de amortización.
Es el tiempo expresado en años que se tardará en recuperar la inversión
inicial del proyecto de inversión (2.46).
3.4.8.5. Valor actual neto. VAN.
Es un valor económico que representa lo ventajoso que será el realizar un
proyecto de inversión. Representa la cantidad total de dinero que se ganará
durante la vida útil del accionamiento al llevar a cabo el proyecto de
inversión (en este caso la compra del mismo). Las ecuaciones empleadas en
el cálculo del VAN son idénticas a las del punto 2.4.8.5.
3.4.8.6. Índice de rentabilidad.
Es el valor actual neto dividido por el coste de inversión inicial (2.51).
Representa la cantidad de dinero que se ganará llevando el proyecto de
inversión a cabo por cada unidad monetaria gastada en el desembolso
inicial. Si se poseen varios proyectos de inversión planificados y se desea
realizar uno de ellos, el que tenga la tasa de rentabilidad más elevada, es
el que debería realizarse primero.