¿Cuál es el mejor método de control de flujo de bombas?

El mejor método de control de flujo de bombas centrífugas y ventiladores es un variador de velocidad de CA, que es capaz de proporcionar ahorros de energía del 10% al 60%. Según la aplicación, esto proporciona un retorno de la inversión (ROI) de 6 a 24 meses, dependiendo de la carga del proceso y más si se trata de un nuevo diseño o una adaptación de la instalación existente.

El control del flujo de bombas centrífugas y ventiladores se realiza tradicionalmente mediante dispositivos de control de flujo mecánico (es decir, válvulas de control y persianas). Si bien esta técnica ha sido el estándar de todos los libros de texto de control de procesos a lo largo de los años, no es suficiente para proporcionar una reducción significativa en el consumo de energía en respuesta a una menor demanda de procesos.

La figura 1 ilustra la relación entre el consumo de energía contra un flujo variable por medio de una válvula de control

Otra razón que ralentiza a las industrias en buscar un mejor método de control de flujo de bombas es el constante aumento de la presión por funcionamiento del equipo rotativo, que contribuye de manera importante a las fugas frecuentes, incremento de la vibración y el sobrecalentamiento de los motores. 

Son factores que tienen un impacto directo en el aumento de los costes de operación y mantenimiento de cualquier planta, así como la recurrencia de las actividades de mantenimiento no planificadas. Es por ello que las unidades de frecuencia variables (VFD) se están convirtiendo en un lugar una solución inteligente cada vez más común y más utilizadas en aplicaciones. 

En tal sentido, este artículo tiene como objetivo describir el uso de variadores de velocidad de CA en bombas y ventiladores como mejor método de control de flujo de bombas en lugar de utilizar una válvula de control o rejilla, así como también explicar los algunos beneficios de implantar esta metodología en su industria entre los que se tienen:

1. Ayudar a lograr altos niveles de ahorro de energía.
2. Aumentar la vida útil del equipo.
3. Permitir una mayor seguridad. 
4. Operación favorable al medio ambiente.
5. Costes de mantenimiento reducidos.
6. Variabilidad reducida del proceso.
7. Mejorar el factor de potencia global de la planta,
8. Eliminación de válvulas como fuentes de emisiones fugitivas.

Se considera que un variador de frecuencia VFD es el mejor método de control de flujo de bombas por ser similar al motor al que está conectado, ambos convierten la energía en una forma utilizable. En el caso de un motor de inducción, la potencia eléctrica suministrada se convierte en potencia mecánica a través de la rotación del rotor del motor y el par que produce a través del deslizamiento del motor. 

Por otro lado, un variador de Frecuencia para el control de flujo en bombas convertirá su potencia entrante, un voltaje y frecuencia fijos, a un voltaje y frecuencia variables, lo que es también la base para variar la velocidad del motor sin la necesidad de poleas ajustables o cambios de engranajes, reduciendo el número de componentes mecánicos y el mantenimiento general. 

Figura 2. Unidad de frecuencia variable frente a la válvula de control de regulación:

La mayor ventaja que tiene este método es la capacidad de ahorrar dinero al usuario a través de su naturaleza heredada para disminuir el consumo de energía, el cual se deriva de las leyes de afinidad que establecen:

1. El flujo es proporcional a la velocidad del eje.
2. La cabeza (presión) es proporcional al cuadrado de la velocidad del eje.
3. La potencia es proporcional al cubo de la velocidad del eje.

La aplicación de la afinidad baja a la curva de consumo de energía de la bomba centrífuga o el ventilador muestra la cantidad de energía que se puede ahorrar en el mismo punto de operación del enfoque de la válvula de regulación. La figura 5 muestra un ahorro de energía de casi el 50% en respuesta a una reducción del 20% en el caudal.

Figura 5. Control de flujo VFD vs. Control de flujo de la válvula de regulación:

En la figura 6, se logra representar los beneficios adicionales de la reducción de la presión de operación desde el punto de vista de las curvas de la bomba/sistema, una vez se implanta el mejor método de control de flujo de bombas como es el variador de frecuencia. Asimismo, la reducción de las vibraciones, el potencial de fuga y las fallas mecánicas.

Figura 6. Cambio del punto de operación de la curva de la bomba/sistema con control de velocidad:

Si queremos saber cómo lograr un efectivo control de flujo de bombas centrífugas en aquellos procesos en los cuales se busca alcanzar un rango de flujo muy amplio, por ejemplo, un rango de 20% a 100% del flujo nominal, se debe utilizar una combinación del mejor método de control de flujo de bombas que es el variador de frecuencia y una válvula de control, con un algoritmo de control de rango dividido, ya que este método regula los altos caudales hasta un cierto mínimo.

Y cuando el proceso exige caudales más bajos, la válvula de control comienza a ajustar la curva del sistema para lograr el caudal más bajo solicitado, lo que permite lograr una reducción drástica de los costes de energía al eliminar la caída de presión en la bomba. Si el ahorro de energía fuese pequeño, entonces este sería un punto irrelevante. 

Sin embargo, hay tantas bombas de flujo de líquido en los procesos que bombean hasta una altura alta, solo para tomar esa pérdida de energía como caída de presión a través de una válvula de control, que esta fuente de pérdida de energía puede representar hasta el 60% de la energía de la bomba y hasta el 25% de la energía total utilizada para operar una refinería, fábrica de papel o planta química.

Cualquier posibilidad de ahorro en el consumo energético es significativa, por lo que es necesario siempre pensar en implementar soluciones innovadoras, comprobadas en la industria que ayuden a mejorar la eficiencia energética y reducción de la demanda general, así como la reducción de las emisiones de CO2 y la huella de carbono.

Entonces eliminar “o neutralizar” la válvula de control, que es un componente con una alta demanda de recursos de mantenimiento, es una gran fuente de reducción de costes. Muchas plantas utilizan costosos bancos de condensadores para mejorar su factor de potencia general, estos bancos de condensadores también requieren un mantenimiento y reemplazo regulares, mientras que el mejor método de control de flujo de bombas y ventiladores es el uso de un variador de frecuencia porque elimina la necesidad de la mayoría de los bancos de capacitores de la planta.

Para más información sobre las estrategias para aumentar la eficiencia energética de las bombas centrífugas, con el Newsletter de Tecnología para la Industria el Newsletter de Tecnología para la Industria podrá conocer las nuevas soluciones disponibles en el mercado para optimizar las operaciones de su planta.