Qual é o melhor método de controlo do caudal da bomba?

O melhor método de controlo do caudal de bombas centrífugas e ventiladores é um variador de velocidade AC, capaz de proporcionar poupanças de energia de 10% a 60%. Dependendo da aplicação, isto proporciona um retorno do investimento (ROI) de 6 a 24 meses, dependendo da carga do processo e mais ainda se se tratar de um novo projeto ou de uma adaptação de uma instalação existente.

O controlo do caudal das bombas centrífugas e dos ventiladores é tradicionalmente efectuado por dispositivos mecânicos de controlo do caudal (ou seja, válvulas de controlo e grelhas). Embora esta técnica tenha sido utilizada em todos os manuais de controlo de processos ao longo dos anos, não é suficiente para proporcionar uma redução significativa do consumo de energia em resposta a uma menor procura do processo.

O figura 1 ilustra a relação entre o consumo de energia e um caudal variável por meio de uma válvula de controlo

Outra razão que atrasa as indústrias na procura de um melhor método de controlo do caudal da bomba é o aumento constante da pressão de funcionamento do equipamento rotativo, que é um dos principais contribuintes para fugas frequentes, aumento da vibração e sobreaquecimento dos motores. 

Estes são factores que têm um impacto direto no aumento dos custos de funcionamento e manutenção de qualquer instalação, bem como na recorrência de actividades de manutenção não planeadas. É por isso que os variadores de frequência (VFD) estão a tornar-se uma solução cada vez mais comum e inteligente e estão a ser cada vez mais utilizados em aplicações. 

Neste sentido, este artigo tem como objetivo descrever a utilização de variadores de velocidade AC em bombas e ventiladores como um melhor método de controlo do caudal da bomba em vez de utilizar uma válvula de controlo ou grelha, bem como explicar alguns dos benefícios da implementação desta metodologia na sua indústria, entre eles:

1. Ajudam a atingir níveis elevados de poupança de energia.
2. Aumentar a vida útil do equipamento.
3. Permitir uma maior segurança. 
4. Funcionamento amigo do ambiente.
5. Redução dos custos de manutenção.
6. Redução da variabilidade do processo.
7. Melhorar o fator de potência global da instalação,
8. Eliminação das válvulas como fontes de emissões fugitivas.

Um VFD é considerado o melhor método de controlo do caudal da bomba porque é semelhante ao motor ao qual está ligado, convertendo ambos a energia numa forma utilizável. No caso de um motor de indução, a energia eléctrica fornecida é convertida em energia mecânica através da rotação do rotor do motor e do binário que este produz através do deslizamento do motor. 

Por outro lado, um Acionamento de frequência variável para controlo do caudal em bombas converterá a sua energia de entrada, uma tensão e frequência fixas, numa tensão e frequência variáveis, que é também a base para variar a velocidade do motor sem a necessidade de polias ajustáveis ou mudanças de engrenagem, reduzindo o número de componentes mecânicos e a manutenção geral. 

Figura 2. Acionamento de frequência variável em frente da válvula de controlo de regulação:

A maior vantagem deste método é a capacidade de poupar dinheiro ao utilizador através da sua natureza hereditária de redução do consumo de energia, que deriva das leis de afinidade que estabelecem:

1. O caudal é proporcional à velocidade do veio.
2. A cabeça (pressão) é proporcional ao quadrado da velocidade do veio.
3. A potência é proporcional ao cubo da velocidade do veio.

A aplicação da baixa afinidade à curva de consumo de energia da bomba centrífuga ou do ventilador mostra a quantidade de energia que pode ser poupada no mesmo ponto de funcionamento da abordagem da válvula de estrangulamento. A Figura 5 mostra uma poupança de energia de quase 50% em resposta a uma redução de 20% no caudal.

Figura 5. Controlo de caudal por VFD vs. controlo de caudal por válvula de regulação:

A Figura 6 mostra os benefícios adicionais da redução da pressão de funcionamento do ponto de vista das curvas bomba/sistema, uma vez implementado o melhor método de controlo do caudal da bomba, como o acionamento de frequência variável. Além disso, a redução das vibrações, do potencial de fugas e das falhas mecânicas.

Figura 6. Alteração do ponto de funcionamento da curva da bomba/sistema com controlo de velocidade:

Se quisermos saber como conseguir um controlo eficaz do caudal das bombas centrífugas nos processos em que se pretende uma gama de caudais muito ampla, por exemplo, uma gama de 20% a 100% de caudal nominal, deve ser utilizada uma combinação do melhor método de controlo do caudal da bomba, ou seja, um variador de frequência e uma válvula de controlo, com um algoritmo de controlo de gama dividida, uma vez que este método regula os caudais elevados até um certo mínimo.

E quando o processo exige caudais mais baixos, a válvula de controlo começa a ajustar a curva do sistema para atingir o caudal mais baixo solicitado, o que permite uma redução drástica dos custos de energia através da eliminação da queda de pressão na bomba. Se a poupança de energia fosse pequena, este seria um ponto irrelevante. 

No entanto, existem tantas bombas de fluxo de líquido de processo que bombeiam para uma altura elevada, apenas para absorver essa perda de energia como queda de pressão através de uma válvula de controlo, que esta fonte de perda de energia pode representar até 60% da energia da bomba e até 25% da energia total utilizada para operar uma refinaria, fábrica de papel ou fábrica de produtos químicos.

Qualquer potencial de poupança no consumo de energia é significativo, pelo que é sempre necessário pensar na implementação de soluções inovadoras e comprovadas pela indústria que ajudem a melhorar a eficiência energética e a reduzir a procura global, bem como a reduzir as emissões de CO2 e a pegada de carbono.

Assim, a eliminação "ou neutralização" da válvula de controlo, que é um componente com uma elevada exigência em termos de recursos de manutenção, é uma grande fonte de redução de custos. Muitas instalações utilizam bancos de condensadores dispendiosos para melhorar o seu fator de potência global, estes bancos de condensadores também requerem manutenção e substituição regulares, enquanto que o melhor método de controlo do caudal das bombas e ventiladores é a utilização de um variador de frequência porque elimina a necessidade da maioria dos bancos de condensadores na instalação.

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