ahoroo con la variacion de velocidad
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Ahorro de energía con la variación de velocidad.TRANSCRIPT
ESTIMACIÓN DEL SOBREDIMENSIONAMIENTO EN MOTORES Y CONSUMO DE ENERGÍA ELÉCTRICA EN EL PARQUE INDUSTRIAL SUMICOL
SABANETA
JOSÉ ALEJANDRO RESTREPO VELÁSQUEZ
JOSÉ AMADO AGUILAR ROLDÁN
TRABAJO DE GRADO INGENIERÍA DE CONTROL
FACULTAD DE MINAS UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA
SEDE MEDELLÍN SEMESTRE 02-2008
2
AGRADECIMIENTOS
Agradezco a todas aquellas personas que de alguna manera contribuyeron a mi formación; en especial a los profesores de la escuela de Mecatrónica, a los ingenieros Raúl Ortega y Carlos Martínez por brindarme sin ningún celo el conocimiento que les ha dado la experiencia. A mi familia, en especial a mi hermana Beatriz quien fue la que me impulso a tomar el camino de la ingeniería y a mi madre, por estar siempre conmigo; y a mis amigos por ser parte también de esta experiencia. Muchas gracias a todos.
3
TABLA DE CONTENIDO
1. OBJETIVOS ...................................................................................................... 7
2. INTRODUCCIÓN .............................................................................................. 8
3. RESUMEN ........................................................................................................ 9
4. SOBREDIMENSIONAMIENTO EN MOTORES .............................................. 10
4.1 Estimación del sobredimensionamiento ....................................................... 12 4.1.1 Cálculo del porcentaje de carga ................................................................ 12 4.1.2 Identificación de sobredimensionamiento .................................................. 18 4.1.2.1 Planta Colorificio ..................................................................................... 19 4.1.2.2 Planta Yesos ........................................................................................... 21 4.1.2.3 Planta de trituración y molienda .............................................................. 22
4.2 Análisis económico del sobredimensionamiento .......................................... 23
5. VARIACIÓN DE VELOCIDAD OPCIÓN DE AHORRO ................................... 25
5.1 El Convertidor de frecuencia ........................................................................ 26
5.2 Variación de velocidad en el proceso de molienda ...................................... 27
5.3 Cálculo de la disminución en el consumo de potencia ................................. 29
5.4 Verificación práctica del cálculo de la disminución de potencia consumida . 31
5.5 Análisis económico de los resultados .......................................................... 34
6. DESCONEXIÓN DE MOTORES NO EMPLEADOS DURANTE UN PROCESO 35
6.1 Caso 1: Elevador de Cangilones .................................................................. 36
6.2 Caso 2: Banda y elevador de cangilones ..................................................... 37
4
6.3 Estimación del consumo de energía de los motores cuando operan en vacío 38
6.3.1 Caso 1: ..................................................................................................... 38 6.3.2 Caso 2 ...................................................................................................... 39
6.4 Diseño de los sistemas de enclavamiento para el apagado de los equipos 40 6.4.1 Caso 1 ....................................................................................................... 40 6.4.2 Caso 2 ....................................................................................................... 42
7. APLICACIONES TÉRMICAS. AIRE ACONDICIONADO................................ 44
7.1 DISTRIBUCIÓN DEL SISTEMA DE AIRE ACONDICIONADO .................... 44
7.2 ESTIMACIÓN DEL CONSUMO ELÉCTRICO DEL SISTEMA DE AIRE ACONDICIONADO ................................................................................................ 46
7.2.1 Apagado del Chiller de enfriamiento: ......................................................... 47 7.2.2 Apagado de las máquinas manejadoras grandes del 1º y 2º piso del edificio administrativo: ........................................................................................ 48 7.2.3 Apagado de las máquinas manejadoras más pequeñas del 1º y 2º piso y las máquinas del 3º piso del edificio administrativo. ......................................... 49
7.3 DISEÑO DEL SISTEMA DE APAGADO Y ENCENDIDO AUTOMÁTICO PARA EL AIRE ACONDICIONADO.................................................................................. 51
7.3.1 Cálculo de contactos ................................................................................. 54
8. CONCLUSIONES ............................................................................................ 58
9. BIBLIOGRAFÍA ............................................................................................... 60
5
LISTA DE TABLAS
Tabla 1. Valores de placa y funcionamiento de motores de la planta Colorificio ... 13
Tabla 2. Porcentaje de carga de los motores de la planta Colorificio .................... 14
Tabla 3. Valores de placa y funcionamiento de motores de la planta de Yesos .... 14
Tabla 4. Porcentaje de carga de los motores de la planta Yesos .......................... 15
Tabla 5. Valores de placa y funcionamiento de motores de la planta de Trituración y Molienda ............................................................................................................. 16
Tabla 6. Porcentaje de carga de los motores de la planta Yesos .......................... 17
Tabla 7. Eficiencias reales y de placa de los motores de planta Colorificio ........... 19
Tabla 8. Eficiencias reales y de placa de los motores de planta de yesos ............ 21
Tabla 9. Eficiencias reales y de placa de los motores de planta trituración y molienda ................................................................................................................ 22
Tabla 10. Consumos de potencia y cantidad producida para uno de los molinos de bola ........................................................................................................................ 31
Tabla 11. Rendimientos y consumos de potencia ante los cambio velocidad ....... 34
Tabla 12. Consumos y ahorros en el sistema de aire acondicionado .................... 49
Tabla 13. Categorías de servicio de los contactores ............................................. 53
6
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 Relación vectorial de la potencia aparente .................................... 11 Figura 2. Variación de la eficiencia de los motores con la carga.................. 20 Figura 3. Estructura general de un variador de velocidad ........................... 26 Figura 4. Curva para el control de calidad de la caliza ST 325 .................... 33 Figura 5. Curva para el control de calidad de la caliza ST 400 .................... 33 Figura 6. Esquema del proceso de molienda ............................................... 36 Figura 7. Diagrama de alimentación del molino Anivi .................................. 37 Figura 8 A. Diagrama unifilar del sistema actual. B Diagrama unifilar del sistema enclavado ....................................................................................... 41 Figura 9. A Diagrama unifilar del sistema actual. B Diagrama unifilar del sistema enclavado ....................................................................................... 43 Figura 10. Diagrama unifilar del sistema de alimentación del aire acondicionado .............................................................................................. 46 Figura 11. Consumo de energía del chiller de enfriamiento ......................... 48 Figura 12. Consumo de energía del aire acondicionado del 1º y 2º piso ..... 50 Figura 13. Consumo de energía del aire acondicionado restante del 1º, 2º y 3º piso .......................................................................................................... 50 Figura 15. Demanda de corriente de las manejadoras grandes ................. 54 Figura 16. Demanda de corriente de las manejadoras pequeñas ............... 56 Figura 17. Diagrama de conexión del sistema automático ........................... 57
7
1. OBJETIVOS
‐ Realizar un sondeo del estado actual de los motores principales de las
plantas del parque industrial y medir sus parámetros de funcionamiento
actuales para identificar cuales de ellos trabajan en condiciones de
sobredimensionamiento.
‐ Analizar los datos recolectados y en base a ellos determinar el consumo de
energía, las perdidas en estos motores y el impacto que tiene sobre la
facturación.
‐ Identificar procesos en los que el consumo energético innecesario de energía
se alto y cuantificar el consumo generado por la operación incorrecta de los
mismos.
‐ Proponer soluciones practicas que permitan mejorar la operación de los
procesos antes identificados y cuantificar los ahorros que podrían producir
etas acciones
‐ Confrontar los ahorros producidos por las acciones propuestas frente a los
costos y actuales consumos de energía.
8
2. INTRODUCCIÓN
Uno de los objetivos primordiales de la industria actual debe ser el manejo racional
y consiente de la energía eléctrica que utiliza para llevar a cabo sus procesos.
Llevando cada proceso a utilizar la mínima cantidad de energía posible para
desarrollarlo de manera óptima. El sector industrial debería estar entonces, en la
capacidad de medir y cuantificar de manera precisa, cuales y cuantos son los
consumos generados por los procesos, para de esta manera tener controlado el
gasto que el consumo de energía trae con su utilización.
La identificación de puntos de “fuga” de energía, puntos donde el consumo de
energía es desmedido para la labor que realiza, es el primer paso para
implementar una cultura de ahorro energético industrial. La teoría simple y obvia
de “apagar para ahorrar”, también aplica en este ambiente; aquellos procesos mal
trabajado que operan inoficiosamente, son tan frecuentes que su impacto en el
consumo total llega a ser de gran importancia. De allí la importancia de hacer un
seguimiento a estos, tener cuantificado su consumo y generar de esta manera una
conciencia y una plan de acciones correctivas que las mantengan controladas.
Es por esto que Sumicol Corona quiere determinar cual es el consumo energético
de los procesos más representativos parque industrial y determinar cual de estos
pesa más en el consumo total y de acuerdo a esta estimación, estudiar la
posibilidad de adoptar medidas que vuelvan más eficiente, energéticamente
hablando, los procesos; siempre y cuando el valor requerido para la inversión no
sea mayor al beneficio a largo plazo que se pueda alcanzar con el cambio.
9
3. RESUMEN
Con el presente trabajo se pretende cuantificar el impacto negativo que puede
tener la mala operación de las máquinas eléctricas, por medio de mediciones que
muestren sobredimensionamientos en la fuerza motriz y los costos adicionales en
la facturación que estas situaciones pueden acarrear. Se darán pautas para
identificar el posible sobredimensionamiento en los motores principales de proceso
y se mostrara la manera de estimar el consumo de energía de un motor operando
bajo estas condiciones. Igualmente se identificarán procesos en los cuales se
presentan pérdidas y consumos innecesarios de energía y se propondrán y
evaluarán acciones correctivas, en las cuales se hará uso de nuevas y antiguas
tecnologías para el diseño de los sistemas de control buscando siempre el
mejoramiento de los procesos y nunca en contra de la calidad del mismo, para
llevar los procesos a trabajar en los puntos óptimos en los cuales los ahorros se
maximizan y las pérdidas son mínimas. Se cuantificarán estos consumos y se
confrontarán con los beneficios que las acciones correctivas traen sobre la
facturación para observar la viabilidad de las mismas.
Palabras claves: Motor, sobredimensionamiento, eficiencia, factor de potencia,
variación de velocidad, ahorro, consumo, enclavamientos, contactores, PLC.
10
4. SOBREDIMENSIONAMIENTO EN MOTORES
A la hora del diseño y construcción de motores, es común y necesaria la práctica
del sobredimensionamiento, que significa simplemente aumentar en dimensión los
valores de funcionamiento que se calcularon inicialmente para estos; es decir, sí el
cálculo de un motor que va a mover determinada carga, arroja que debe manejar
una potencia mecánica de 10 Hp, el motor que realmente se instale en la
aplicación debe ser mayor a 10 Hp. El aumentar la potencia que pueda suministrar
el motor conlleva al aumento de los valores de los parámetros de funcionamiento
bajo los que opera la máquina, entre ellos la corriente, la eficiencia y el porcentaje
de carga admisible.
El sobredimensionamiento se hace apropósito par proteger la máquina en los
arranques de proceso, donde la demanda de corriente es mucho más grande que
la corriente nominal utilizada por el motor en condiciones estables de operación, o
para sobrecorrientes eventuales y de poca duración; También se hace para que el
motor sea capaz de soportar sobrecargas fortuitas a causa de la naturaleza de los
proceso. Sin embargo se puede llegar a presentar casos en los cuales el
sobredimensionamiento de los motores es mucho mayor al que verdaderamente
necesita la aplicación, ocasionando que motores de una potencia considerable
estén realizando trabajos para los que no se requiere un motor con esas
características de potencia.
Un motor sobredimensionado genera bajos factores de potencia y por ende un alto
consumo de potencia reactiva.
El factor de potencia esta determinado por la siguiente expresión:
11
1 (1.1)
Y la potencia aparente se define vectorialmente como:
2 (1.2)
Figura 1 Relación vectorial de la potencia aparente
De la figura 1 y la ecuación 1.1, tenemos que el coseno del ángulo es igual al
factor de potencia. Luego para una misma cantidad de potencia aparente, si el
factor de potencia disminuye, entonces para mantener la igualdad de la ecuación
1.2 es necesario que se aumente la magnitud de la potencia reactiva.
Altos consumos de energía reactiva, llevan a que las empresas encargadas de la
generación y el suministro tenga que generar más energía de la necesaria, de ahí
que exista una legislación para controlar los bajos factores de potencia y los altos
consumos de energía reactiva.
Otra característica del motor sobredimensionado es el bajo consumo de corriente
con respecto a la corriente nominal a la que debería trabajar normalmente. De la
ecuación siguiente se puede observar lo antes afirmado: 1 “Capacitores y factores de potencia”. ABB. Pag 4 2 “Capacitores y factores de potencia”. ABB. Pag 3
12
3 (1.3)
Para bajas potencia consumidas tenemos bajas corrientes de trabajo.
4.1 ESTIMACIÓN DEL SOBREDIMENSIONAMIENTO
Conociendo los valores nominales de potencia, corriente y eficiencia del motor
proporcionado por la placa y comparándolos con los valores de trabajo, tendremos
una idea del nivel de sobredimensionamiento bajo el que trabajan lo motores.
Para determinar cuan sobredimensionado puede estar un motor, se debe estar
entre el 75% y el 100% para obtener un mejor desempeño del mismo.
4.1.1 Cálculo del porcentaje de carga
El porcentaje de carga (%L) viene definido por la siguiente ecuación:
4 (1.4)
Donde la corriente RMS es el valor de corriente utilizado por el motor.
Las siguientes tablas muestran los datos de placa y de funcionamiento de los
motores más representativos de tres de las plantas del parque industrial. Las
mediciones se hicieron en condiciones normales de funcionamiento, por lo que se
puede decir que el porcentaje de carga hallado corresponde al porcentaje de
“carga completa”.
3 “Cálculos de carga y eficiencia”. DOE USA. 4 “Motores de alta eficiencia”. Sumicol
13
Tabla 1. Valores de placa y funcionamiento de motores de la planta Colorificio
Datos de placa Datos en funcionamiento Hp V Amp FP n Hp V Amp FP
Molino Apolo
18,0 440
26,00
0,86
92,00
8,99 445,7
12,82
0,73
Molino Dorst
40,0 440
52,00
0,82
93,60
24,01 445,38
32,61
0,71
Molino 1
75,0 440
93,00
0,83
94,10
43,81 442,3
53,58
0,79
Molino 2
75,0 440
93,00
0,83
94,10
42,78 444,9
50,17
0,82 Agitador 1B
10,0 440
14,10
0,85
89,50
1,80 433,4
4,87
0,37
Agitador 2B
10,0 440
14,10
0,85
89,50
2,00 433,1
4,92
0,40
Agitador 3B
10,0 440
14,10
0,85
89,50
1,95 435,8
4,94
0,39
Agitador 4B
10,0 440
14,10
0,85
89,50
1,86 443,9
5,22
0,34
Para el Molino Apolo
Replicando el cálculo para los demás motores tenemos la siguiente tabla
14
Tabla 2. Porcentaje de carga de los motores de la planta Colorificio
% L Molino Apolo 49,31Molino Dorst 62,71Molino 1 57,61Molino 2 53,95Agitador 1B 34,54Agitador 2B 34,86Agitador 3B 35,02Agitador 4B 37,02
De lo anterior, ninguno de los equipos se encuentra operando al porcentaje de
carga a adecuado.
Tabla 3. Valores de placa y funcionamiento de motores de la planta de Yesos
Datos de placa Datos en funcionamientoHp V Amp FP n Hp V Amp FP
Molino de martillo primario 1
25,0
220
65,0
0
0,87
93,00
5,56
449,
2
11,5
5
0,46
Molino de martillo primario 2
25,0
220
65,0
0
0,87
93,00
5,17
449,
9
13,7
9
0,36
Molino de martillo secundario 1
32,5
220
82,0
0
0,87
92,40
11,7
3
442,
4
14,9
7
0,76
Molino de martillo secundario 2
32,5
220
82,0
0
0,87
92,40
11,9
6
442,
9
15,5
6
0,74
Ventilador FM 402-106
12,440
15,0
0,8
89,50
8,22
443,
9,88
0,8
15
0 0 7 7 0
Ventilador crudos
12,0
440
15,7
0
0,87
90,00
14,8
9
442,
4
17,4
0
0,83
Ventilador calcinados
25,0
440
33,0
0
0,84
88,00
12,0
9
442,
3
20,7
9
0,56
Ventilador 822-024
18,0
440
23,6
0
0,84
91,70
13,5
4
443,
3
15,2
3
0,86
Batidor calderín
12,0
440
17,0
0
0,84
89,40
2,80
442,
1
10,0
5
0,26
Los porcentajes de carga de estos equipos son:
Tabla 4. Porcentaje de carga de los motores de la planta Yesos
%L Molino de martillo primario 1
35,54
Molino de martillo primario 2
42,43
Molino de martillo secundario 1
37,43
Molino de martillo secundario 2
38,90
Ventilador FM 402-106 65,87
Ventilador crudos 110,83
Ventilador calcinados 63,00
Ventilador 822-024 64,53
Batidor calderín 59,12
16
Para esta planta observamos igual, una deficiencia en le porcentaje de carga en la
mayoría de los motores, pero también una sobre carga de uno de los ventiladores
de proceso.
Tabla 5. Valores de placa y funcionamiento de motores de la planta de Trituración y Molienda
Datos de placa Datos en funcionamiento Hp V A FP n Hp V A FP
Tambor Molino 1
64,0 440
55,00
0,88
93,60
40,58
449,0
43,57
0,89
Ventilador Molino 1
18,0 440
23,00
0,87
91,70
15,21
447,6
16,88
0,86
Tambor Molino 2
40,0 440
53,00
0,85
93,60
36,91
455,7
48,57
0,71
Ventilador Molino 2
15,0 440
20,00
0,82
91,70
17,33
455,8
20,10
0,81
Tambor Molino 3
40,0 440
53,00
0,85
93,60
51,82
453,7
61,91
0,80
Ventilador Molino 3
15,0 440
20,00
0,82
91,70
14,32
453,0
15,26
0,89
Tambor Molino 4
40,0 440
53,00
0,85
93,60
51,78
443,2
59,16
0,85
Ventilador Molino 4
18,0 440
21,00
0,89
91,70
16,45
438,6
19,17
0,88
Tambor Molino 5
40,0 440
53,00
0,85
93,60
38,68
448,4
51,29
0,72
Ventilador Molino 5
18,0 440
21,00
0,89
91,70
9,68
450,3
16,83
0,83
Tambor Molino 6
40,0 440
53,00
0,85
93,60
44,96
457,2
53,39
0,79
Ventilador Molino 6
18,0 440
23,00
0,87
91,70
13,81
457,2
15,66
0,83
Tambor Molino 7
489,0 440
560,00
0,87
95,40
235,68
451,0
292,13
0,77 Ventilador clasificador M7
36,0 440
46,00
0,77
93,60
17,90
459,0
34,15
0,60
ventilador separador 440
17
M7 23,0 33,00 0,75 91,00 8,76 458,9 12,32 0,66 Elevador cangilones M7
10,0 440
15,30
0,84
90,20
2,83
457,2
6,70
0,39
Ventilador secadero
12,0 440
15,90
0,87
91,00
2,33
447,9
4,79
0,38
Tambor secadero
12,0 440
16,50
0,84
91,00
2,33
447,9
5,79
0,39 Desterronadora Motor 1
30,0 440
37,00
0,86
93,00
8,56
445,1
16,43
0,49
Desterronadora Motor 2
20,0 440
27,00
0,80
91,70
2,22
443,9
5,11
0,42
Trituradora
40,0 440
53,00
0,76
93,60
39,20
455,5
45,20
0,81
Los porcentajes de carga de estos equipos son:
Tabla 6. Porcentaje de carga de los motores de la planta Yesos
%L
Tambor Molino 1 79,22
Ventilador Molino 1 73,39
Tambor Molino 2 91,64
Ventilador Molino 2 100,50
Tambor Molino 3 116,81
Ventilador Molino 3 76,30
Tambor Molino 4 111,62
Ventilador Molino 4 91,29
Tambor Molino 5 96,77
Ventilador Molino 5 80,14
Tambor Molino 6 100,74
18
Ventilador Molino 6 68,09
Tambor Molino 7 52,17
Ventilador clasificador M7
74,24
ventilador separador M7
37,33
Elevador cangilones M7
43,78
Ventilador secadero 30,13
Tambor secadero 35,09
Desterronadora Motor 1
44,41
Desterronadora Motor 2
18,93
Trituradora 85,28
4.1.2 Identificación de sobredimensionamiento
En base a los valores de los porcentajes de carga hallados anteriormente y en la
siguiente gráfica se puede determinar si un motor se encuentra
sobredimensionado para sus condiciones actuales de trabajo, cuanto es realmente
la eficiencia del motor y cuanta energía se pierde por la utilización del mismo.
19
4.1.2.1 Planta Colorificio
Tabla 7. Eficiencias reales y de placa de los motores de planta Colorificio
% L n de placa
n real
Perdidas (kW)
Molino Apolo 49,31
92,00
90,00 1,34
Molino Dorst 62,71
93,60
93,00 2,09
Molino 1 57,61 94,10
93,00 3,91
Molino 2 53,95 94,10
92,50 4,19
Agitador 1B 34,54
89,50
87,50 0,93
Agitador 2B 34,86
89,50
87,50 0,93
Agitador 3B 35,02
89,50
87,50 0,93
Agitador 4B 37,02
89,50
87,60 0,92
promedio 45,63 91,48
89,83 1,91
20
Figura 2. Variación de la eficiencia de los motores con la carga5
Para el molino Apolo tenemos que su eficiencia al 100% de la carga es de 92%; si
ubicamos este valor en la grafica y trazamos una curva paralela a las demás hasta 5 Manual de ahorro de energía en la industria
21
el valor de carga del 50%, tenemos entonces que la eficiencia real del equipo esta
alrededor de 90%. Para este valor de eficiencia, los kilowatios que se pierden en la
utilización del motor bajo estas condiciones son:
Para este caso
Repitiendo el procedimiento obtenemos las Tabla 8, 9 y 10.
4.1.2.2 Planta Yesos
Tabla 8. Eficiencias reales y de placa de los motores de planta de yesos
%L n de placa n real
Perdidas (kW)
Molino de martillo primario 1
35,54 93,00 90,00 1,30
Molino de martillo primario 2
42,43 93,00 90,70 1,30
Molino de martillo secundario 1
37,43 92,40 89,30 1,84
Molino de martillo secundario 2
38,90 92,40 90,90 1,84
Ventilador FM 402-106 65,87 89,50 89,10 0,94
Ventilador crudos 110,83 90,00 89,80 0,89
Ventilador calcinados 63,00 88,00 87,50 2,24
Ventilador 822-024 64,53 91,70 91,00 1,11
Batidor calderín 59,12 89,40 88,90 0,95
22
promedio 57,52 91,04 89,69 1,38
4.1.2.3 Planta de trituración y molienda
Tabla 9. Eficiencias reales y de placa de los motores de planta trituración y molienda
%L n de placa n real perdidas
Tambor Molino 1 79,22
93,60 93,40 3,15
Ventilador Molino 1 73,39
91,70 91,30 1,17
Tambor Molino 2 91,64
93,60 93,50 1,94
Ventilador Molino 2 100,50
91,70 91,70 0,93
Tambor Molino 3 116,81
93,60 93,20 2,03
Ventilador Molino 3 76,30
91,70 91,40 0,96
Tambor Molino 4 111,62
93,60 93,40 1,97
Ventilador Molino 4 91,29
91,70 91,50 1,14
Tambor Molino 5 96,77
93,60 93,60 1,91
Ventilador Molino 5 80,14
91,70 91,50 1,14
Tambor Molino 6 100,74
93,60 93,60 1,91
Ventilador Molino 6 68,09
91,70 91,40 1,15
Tambor Molino 7 52,17
95,40 94,20 21,15
Ventilador clasificador M7
74,24
93,60 96,00 1,07
23
ventilador separador M7
37,33
91,00 89,30 1,84
Elevador cangilones M7
43,78
90,20 88,80 0,84
Ventilador secadero 30,13
91,00 88,20 1,06
Tambor secadero 35,09
91,00 88,80 1,00
Desterronadora Motor 1
44,41
93,00 90,20 2,19
Desterronadora Motor 2
18,93
91,70 87,40 1,88
Trituradora 85,28
93,60 93,40 1,97
Promedio 71,80
92,49
91,70
2,49
4.2 ANÁLISIS ECONÓMICO DEL SOBREDIMENSIONAMIENTO
Aunque el resultado del sobredimensionamiento en la mayoría de los motores
principales de estas tres plantas, salta a la vista, siguiendo las directrices de
corriente nominales, potencias y porcentajes de carga; las perdidas que estos
presentan, no justifican una inversión, que no seria pequeña, para cambiar a
motores más pequeños que realicen la misma función.
Si retomamos los resultados anteriores, el motor que más perdidas presenta es el
motor que maneja el molino 7 en la planta de trituración; este da unas perdidas de
21.15 Kw por hora de funcionamiento. Este molino trabaja aproximadamente 6024
horas en el año, luego el valor en dinero de las pérdidas, con un precio por
kilowatio hora de $ 200 es de $ 25’481.520. Esta suma es bastante considerable y
haría pensar en la lógica inmediata del cambio, sin embargo el precio de un motor
de las de estas características esta alrededor de los $ 140’000.000, aparte de los
24
costos de instalación y demás gastos que se presentan mientras la puesta a punto
del equipo.
Una solución que resulta más atractiva para el bolsillo de las plantas, es la
reevaluación de la cantidad de carga que esta manejando cada proceso en cada
una de las plantas; es obvio que cada motor es capaz de manejar más carga de la
que actualmente esta soportando, de esta manera tanto la eficiencia real y el
factor de potencia del motor aumentan a valores más cercanos a sus valores
teóricos de funcionamiento y aparte se disminuyen las perdidas en un porcentaje
considerable.
Para la planta de Colorificio las perdidas en los motores actuales para un
porcentaje de carga promedio de 46.65%y un promedio de horas laboradas de
5000, son de $ 15’240.000 anuales, llevando el promedio de carga a un 75 % las
perdidas disminuyen en un 17%.
Para la planta de yesos las perdidas actuales al año suman $ 14’810.000 con un
porcentaje de carga promedio de 57.5%. Llevando el porcentaje al 75% tenemos
que las perdidas se reducen en un 16%.
Para la planta de trituración y molienda, bajo las mismas 5000 horas trabajadas y
para un porcentaje de carga promedio de 71% las perdidas suman $ 52’390.000.
Aumentando el porcentaje al 75 se reducen las perdidas en un 12%.
Luego tomando una acción correctiva simplemente sobre el porcentaje de carga a
la que trabajan los procesos, el impacto anual sobre la facturación es muy
importante.
25
5. VARIACIÓN DE VELOCIDAD OPCIÓN DE AHORRO La limitación fundamental que pueden tener los motores de inducción es que
manejan una velocidad constante ante cambios en la carga y la única manera de
generar un cambio de velocidad es cambiando el número de polos; otra manera
de variar la velocidad es a través de Variadores de velocidad. Un variador de
velocidad es un regulador de energía que tiene como función modular la energía
eléctrica que se le entrega al motor.
Existen diferentes tipos de variadores de velocidad dependiendo de la aplicación a
la que se le pretenda aplicar el variador:
Rectificador controlado: Suministra corriente continua a partir de una
fuente de alimentación alterna, manteniendo controlado el valor medio de la
tensión. La variación de velocidad se logra cambiando el valor del ángulo
de cebado de los semiconductores. Utilizado para motores de corriente
continua. Convertidor de frecuencia: Suministra tensión alterna a partir de una red
alterna de frecuencia fija, con un valor eficaz y una frecuencia variable a
partir de una relación constante de U/F. Utilizado en motores de inducción. Regulador de tensión: Suministra tensión alterna a partir de una res
alterna, sin variar la frecuencia de la red y controlando el valor eficaz de
tensión. La variación se obtiene modificando el ángulo de cebado de los
semiconductores. Usado como variador en motores de anillo o asincrónicos
de jaula que no necesiten un par de arranque elevado. Los variadores de velocidad, aparte de la regulación y variación de velocidad,
incluyen funciones como la aceleración y desaceleración controladas, inversiones
de giro y protecciones para el motor y para el mismo. En el momento la función
26
que nos interesa es la variación de velocidad proporcionada por el convertidor de
frecuencia.
Figura 3. Estructura general de un variador de velocidad 6
5.1 EL CONVERTIDOR DE FRECUENCIA
Como ya se dijo anteriormente, este tipo de variador se alimenta a tensión y
frecuencias fijas y garantiza una alimentación de tensión y frecuencias variables al
motor en base a las necesidades de velocidad que se tenga. Los circuitos internos
de potencia poseen rectificadores y onduladores, que producen tensiones de
amplitud y frecuencias variables a partir de una tensión rectificada. El ondulador
puede generar frecuencias más elevadas que las de la línea de alimentación y de
esta manera permitir al motor un aumento de velocidad proporcional al
incremento de frecuencia; sin embargo como la tensión de salida no puede ser
mayor que la de la alimentación, la relación U/F deja de ser constante, luego el
par de salida decrece para restablecer la relación U/F constante y sigue
decreciendo en cada aumento de velocidad por encima de la velocidad nominal;
6 Manual electrotécnico Telesquemario.
27
bajo estas circunstancias el motor deja de trabajar a par constante para hacerlo a
potencia constante.
El control de flujo utilizado por el convertidor de frecuencia permite consumir
menor potencia a la entrada para mantener una velocidad constante, es por esto
que en aplicaciones donde la carga de trabajo sea variable, el convertidor de
frecuencia presenta su mayor nivel de ahorro, porque en este tipo de condiciones
la regulación del flujo de corriente se hace más efectiva. Para procesos de carga
constante la reducción de consumo de energía se consigue disminuyendo la
velocidad de operación; una disminución de esta genera un menor consumo de
corriente y esto traduce en la reducción del consumo de potencia.
5.2 VARIACIÓN DE VELOCIDAD EN EL PROCESO DE MOLIENDA
Dentro del parque industrial Sumicol Sabaneta se utiliza en media proporción los
variadores de velocidad. Estos son principalmente utilizados en sistemas de
control donde un controlador maneja la variación de velocidad a partir de una
señal de mili amperaje, o para el arranque de motores.
Hay algunos procesos en el parque industrial, en los que se podría utilizar un
variador de velocidad para verificar el ahorro que estos presentan en el consumo
de potencia. Uno de estos procesos es el de Molienda, donde se utiliza un motor
de alto caballaje, que hace girar un tambor en cuyo interior se encuentran unas
bolas de yeso que a medida que gira el motor van moliendo el material que esta
dentro del tambor. Como vemos este tipo de proceso no involucra variación en la
carga, por lo tanto el ahorro se vera reflejado en la disminución de la velocidad de
rotación del tambor.
28
El proceso de molienda tiene unas condiciones óptimas de molienda. Una de esas
condiciones es la velocidad de molienda; es decir para este proceso el que el
tambor gire a más revoluciones no implica que el proceso de molienda se lleve a
cabo más rápido. Si el tambor girara demasiado rápido, las bolas se pegarían a las
paredes por efecto de la fuerza centrifuga y girarían junto con el material, si las
bolas no caen sobre el material a moler, no se estaría llevando a cabo el proceso
de molienda. Si el tambor girará demasiado lento, las bolas igual no caerían sobre
el material, solamente se deslizarían unas sobre otras; esto si genera una tipo de
molienda llamado “molienda por cizalladura”, pero este proceso es lento y
consume demasiada potencia para moler una determinada cantidad de material.
Es por esto que debe existir entonces una velocidad óptima de molienda donde la
molienda por cizalladura y la molienda por golpe produzcan la mayor cantidad de
material molido.
La velocidad crítica de molienda para un molino de las características de los
existentes en el parque industrial esta determinada por el diámetro del tambor y el
diámetro de las bolas de yeso, y viene dada por la siguiente expresión:
7 (5.1)
Donde D corresponde al diámetro interno del tambor y d al diámetro de las bolas.
La velocidad óptima de molienda se encuentra entre un 70% y un 75% de la
velocidad crítica Vc, luego la velocidad óptima de molienda se debe encontrar
entre el siguiente rango de rpm:
Con D= 1.32 m y d=0.04 m tenemos que
7Diseño y simulación de circuitos de molienda y clasificación
29
En las condiciones actuales a las que operan los molinos en la planta de
trituración, estos a una frecuencia de 60 Hz, que es la que suministra la red de
alimentación, giran a 30 rpm, valor que se encuentra por fuera del rango óptimo.
Para un 73% la velocidad de giro del tambor es aproximadamente 27 rpm. Si se
hace entonces necesaria la utilización de un variador de velocidad para lograr
moler en un valor adecuado de velocidad.
La relación entre las rpm y la frecuencia es lineal por lo tanto para obtener 27 rpm
se deben modificar la frecuencia de alimentación del motor a 54 Hz.
(5.2)
5.3 CÁLCULO DE LA DISMINUCIÓN EN EL CONSUMO DE POTENCIA Para los variadores de velocidad existen unas ecuaciones de afinidad, que
relacionan aquellas variables con las cuales trabajan los variadores y la potencia
suministrada a los sistemas.
Cuando se trabaja solamente con cambios de velocidad la relación entre la
potencia y la velocidad viene dada por la siguiente ecuación:
30
8 (5.3)
Donde:
Es la potencia consumida por el sistema a la frecuencia de la línea. Es la
velocidad a la potencia . Es la potencia consumida por el sistema a una
velocidad . Velocidad deseada de trabajo.
En base a esto y considerando que queremos trabajar el sistema a una velocidad
de 27 rpm podemos obtener el ahorro teórico si disponemos de la potencia que
consume el molino a la frecuencia de alimentación de la línea. Para hallarla se
puede medir el consumo de potencia con el Analizador de redes AR5 y obtener de
allí el consumo.
De las mediciones se obtuvo que el consumo promedio para producir 100 Kg de
material molido fue de 6.1 Kw y para producir 532 Kg consumió 27.64 Kw, luego
para producir la misma cantidad de kilogramos con el variador instalado y
operando a 27 rpm el consumo de potencia seria respectivamente:
8 Ahorro de energía con variadores de frecuencia.
31
Entonces teóricamente tenemos que la disminución en el consumo para una
producción de 100 kg es de 0.89 Kw y para 532 Kg es de 4.04 Kw.
5.4 VERIFICACIÓN PRÁCTICA DEL CÁLCULO DE LA DISMINUCIÓN DE POTENCIA CONSUMIDA
Para verificar los resultados anteriores, se realizaron las mismas mediciones para
dos materiales diferentes, pero para la misma cantidad de producción y se
registraron los consumos con el variador operando a 60 Hz y posteriormente a 52
Hz. Los resultados obtenidos se muestran en la siguiente tabla.
Tabla 10. Consumos de potencia y cantidad producida para uno de los molinos de bola
Material
Frecuencia (Hz)
Consumo
teórico (kw)
Consumo real (Kw)
Producción
(kg)
Rendimiento
(Kg/h)
Consumo por
tonelada(Kwh)
Caliza ST M400
60 6.1 6.172 100 567.8 61.72
Caliza ST M400
60 6.1 6.029 100 559.9 60.29
Caliza 52 5.21 5.223 100 580.6 52.23
32
ST M400 Caliza ST M400
52 5.21 5.493 100 587.3 54.93
Caliza ST M325
60 27.64 27.462
532 667.9 51.62
Caliza ST M325
60 27.64 27.81 532 663.6 52.27
Caliza ST M325
52
23.60 23.123 532 658.8 43.46
Caliza ST M325
52 23.60 23.906 532 650.1 44.94
Como podemos ver en la tabla 2.1, los cálculos antes realizados reflejan de
manera correcta el funcionamiento y el consumo real del sistema con variador de
velocidad; inclusive se nota que al llevar la molienda a una velocidad que se
encuentra dentro del rango óptimo, la producción aumenta, como lo podemos ver
en la columna correspondiente al rendimiento.
Es importante considerar que cualquier variación que se le haga el proceso
productivo, en búsqueda de un ahorro de energía no puede ir nunca en
contraposición de la calidad del producto. Por esta razón se llevaron a cabo
análisis de laboratorio de cada uno de las Big bags con producción que salieron
durante el ensayo. Los resultados de este análisis se muestran en la figuras 4 y 5. Allí podemos observar que tanto para la caliza ST 325 como para la caliza ST400
los resultados fueron satisfactorios. La curva obtenida a 52 Hz es igual a la
obtenida a 60 Hz para ambos productos. Por lo que se concluye que la variación
de velocidad no afecto en forma negativa el proceso de molienda, al contrario trajo
un ahorro significativo en el consumo de potencia por tonelada producida.
33
DTP Caliza ST 325Molino 4
Ensayo con Variador
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
555.7
1
417.0
8
294.9
2
208.5
4
147.4
6
104.2
773
.7352
.1436
.8726
.0718
.4313
.03 9.22
6.52
4.61
3.26 2.3 1.6
31.1
50.8
10.5
80.4
10.2
9 0.2 0.14 0.1 0.0
70.0
5
Dp
%
1 (60 Hz)2 (60 Hz)3 (52 Hz)4 (52 Hz)
Figura 4. Curva para el control de calidad de la caliza ST 3259
DTP Caliza ST 400Molino 4
Ensayo con Variador
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
555.7
1
417.0
8
294.9
2
208.5
4
147.4
6
104.2
773
.7352
.1436
.8726
.0718
.4313
.03 9.22
6.52
4.61
3.26 2.3 1.6
31.1
50.8
10.5
80.4
10.2
9 0.2 0.14 0.1 0.0
70.0
5
Dp
%
1 (60 Hz)2 (60 Hz)3 (60 Hz)4 (52 Hz)5 (52 Hz)6 (52 Hz)
Figura 5. Curva para el control de calidad de la caliza ST 400 10
9 SUMICOL. Manual Laboratorio de control de calidad.
34
5.5 ANÁLISIS ECONÓMICO DE LOS RESULTADOS De los datos de la tabla 11 tenemos que:
Tabla 11. Rendimientos y consumos de potencia ante los cambio velocidad
Material Frecuencia
(Hz) Rendimiento
(Kg/h) Consumo (kWh/ton)
ST M325 52 654.46 44.20 ST M400 52 583.96 53.58 ST M325 60 670.78 51.95 ST M400 60 563.85 61.01
Luego para producir una tonelada de caliza ST M325 se están reduciendo el
consumo de energía eléctrica en 7.75 Kw y para caliza ST M400 la reducción
corresponde a 7.43 Kw, es decir por tonelada producida de material se está
reduciendo el consumo en un 7% y el rendimiento aumenta en un 0.3%.
En promedio el molino trabaja 6.276 horas en el año y en promedio cada molino
tarda menos de una hora para producir una tonelada de material molido, y si
decimos que el ahorro promedio no es de 7.5 Kwh sino de 5 Kwh, tenemos
entonces que en un año el ahorro por molino es de 31.380 Kw que equivalen a $
6’276.000, que es un ahorro importante teniendo en cuenta que hay seis molino de
las mismas características y operando de igual manera y que este ahorro es solo
en energía, nunca se considero el aumento de producción. Un ahorro de estas
características justifica una inversión en la compra de un variador de velocidad,
sabiendo además que el valor del variador se recupera en exactamente un año.
10 SUMICOL. Manual Laboratorio de control de calidad.
35
6. DESCONEXIÓN DE MOTORES NO EMPLEADOS DURANTE UN PROCESO
Un proceso cualquiera se debe diseñar de tal manera que mientras no sea
necesario, aquellos subprocesos que forman el total del proceso, no se accione o
no estén activos para optimizar y minimizar el consumo de energía del proceso
completo. La razón natural lleva a concluir que mientras menos subprocesos estén
consumiendo energía innecesariamente dentro de un proceso, el consumo total
para producir cierta cantidad de producto disminuye. Sin embargo no siempre se
encuentran procesos donde todos los sistemas estén enclavados eléctricamente
los unos con los otros para evitar estas operaciones inoficiosas que consumen
energía sin producir ganancia alguna.
Un ejemplo de esto se presenta en el parque industrial, específicamente en la
planta de Trituración y Molienda, en donde hay algunos sub procesos que operan
innecesariamente debido al olvido del operario que no tiene presente el apagar
todo el subproceso. A continuación se muestra los dos casos más recurrentes
dentro de la planta por medio de un esquema de los procesos y se especificara
donde se produce la falla.
36
6.1 CASO 1: ELEVADOR DE CANGILONES
Figura 6. Esquema del proceso de molienda
Inicialmente el material que va a ser molido se almacena en la tolva dosificadora y
es transportado por el tornillo sin fin hasta un elevador de cangilones que alimenta
una banda dosificadora que finalmente entrega el material al tambor de donde se
lleva a cabo el proceso de molienda.
Todo el proceso se inicia desde un tablero principal, y desde allí se puede
encender y apagar cualquiera de los subprocesos. El operario cuenta con una
rutina de encendido que igualmente esta marcada en el tablero, a la hora del
apagado es simplemente devolverse en la secuencia de encendido; sin embargo
esta no es la manera de apagar el proceso de todos los operarios. Muchos
simplemente apagan el tambor principal y la banda de alimentación y cuando se
acaba el material de la tolva dosificadora, apagan el tornillo sin fin; sin embargo
casi ningún operador del proceso tiene en consideración el elevador de
cangilones, permaneciendo este encendido sin necesidad alguna en muchas
ocasiones.
37
6.2 CASO 2: BANDA Y ELEVADOR DE CANGILONES
Figura 7. Diagrama de alimentación del molino Anivi
En este caso, el sistema consta de una tolva de dosificación y un elevador de
cangilones, sin embargo el mecanismo encargado de llevar el material al elevador
es una banda transportadora y no un tornillo sin fin como en el proceso anterior.
La tolva cuenta con un sensor de presencia de material el cual activa la baliza
cuando se ha acabado el material, de esta manera el operario sabe que debe
pedir a unos de los montacargas que cargue nuevamente la tolva. Sin embargo la
baliza no esta operando hace bastante tiempo y es común encontrar que la tolva
se ha quedado sin material y tanto la banda como el elevador funcionan
normalmente, llegando a funcionar horas enteras sin necesidad alguna.
El primer caso es de un alto impacto pues esta misma situación se presenta en los
seis molinos que trabajan de esta manera; El segundo caso si es una situación
aislada, pero la que más se produce dentro del parque industrial.
Estos mecanismos son manejados todos por motores eléctricos que así estén
trabajando en vacio, tiene una carga inherente debido al rozamiento entre las
38
partes móviles y la propia masa; Cuando un motor trabaja en vacio consume la
energía necesaria para suplir las exigencias de esa carga mínima. Se puede dar
que si es un motor de una potencia baja el consumo no se representativo y no
tenga un fuerte impacto dentro del cobro total, sin embargo a largo plazo, la
práctica de desconexión de todos los motores que operen de manera inoficiosa,
vuelve más eficiente el proceso y el impacto si sea apreciable al sumar el poco
aporte que hace cada motor pequeño.
6.3 ESTIMACIÓN DEL CONSUMO DE ENERGÍA DE LOS MOTORES CUANDO OPERAN EN VACÍO
Los valores de las mediciones corresponden a un intervalo de medida de 1 hora,
los datos mostrados corresponden a los valores promedio.
6.3.1 Caso 1: El motor asociado al elevador de cangilones tiene los siguientes
datos de placa:
Voltaje (v) Corriente (A) Potencia (Hp)
Potencia (kW)
FP
440 3.9 2.4 1.8 0.87
Los datos de funcionamiento en vacio del elevador se muestran a continuación:
Voltaje (v) Corriente (A) Potencia
(Hp) Potencia
(kW) FP
470.62 2.22 0.73 0.56 0.31
Luego mantener el elevador encendido sin necesidad consume 1.68kWh si se
dejara encendido tres horas diarias que equivale a que un operador lo deje
encendido 1 hora de su turno de trabajo. Esos 1.68kWh son $ 336 cada 3 horas
39
por molino; Luego el consumo mensual en los seis molinos, es de unos $ 60.408,
que al año representan $ 725.760.
Si se mira la situación aislada, este a simple vista no representa mayor gasto, pero
como se dijo anteriormente, el conjunto de esos pocos en un año en que se
presente esta situación hace un impacto que puede llamar la atención de cualquier
jefe de planta.
6.3.2 Caso 2: los motores que mueven la banda transportadora y el elevador
tienen los siguientes datos de placa:
Motor banda:
Voltaje (v) Corriente (A) Potencia (Hp)
Potencia (kW)
FP
440 5.2 4 3 0.83
Los datos de funcionamiento en vacio de la banda son
Voltaje (v) Corriente (A) Potencia (Hp)
Potencia (kW)
FP
445.60 2.618 0.796 0.597 0.298
Motor elevador:
Voltaje (v) Corriente (A) Potencia (Hp)
Potencia (kW)
FP
440 5.5 3.6 2.7 0.80
Los datos de funcionamiento en vacio del elevador corresponden a:
Voltaje (v) Corriente (A) Potencia (Hp)
Potencia (kW)
FP
445.12 4.728 1.396 1.047 0.29
40
Realizando el mismo análisis que se hizo para el caso 1 y teniendo las
consideraciones de que se opera innecesariamente los equipos 3 horas diarias
tendríamos que los el valor de funcionamiento en sin carga de la banda en un año,
es $ 128.952, mientras que para el elevador seria de $ 226.152, es decir $
355.104 en total por los dos equipos.
Luego para periodo de un año, mínimamente se están consumiendo
innecesariamente 5404 kW. Sin considerar que el caso dos tiene más ocurrencia y
con mayor número de horas que tres horas diarias y que otros proceso pueden
estar funcionando de igual forma y no se han identificado correctamente.
Este consumo innecesario amerita una acción correctiva que no requiere mayor
inversión más que un par de relés o contactos auxiliares y que a largo plazo
genera un ahorro, poco pero que igual contribuye a la hora de disminuir costos de
producción y mantenimiento.
6.4 DISEÑO DE LOS SISTEMAS DE ENCLAVAMIENTO PARA EL APAGADO DE LOS EQUIPOS
6.4.1 Caso 1 Para este caso el enclavamiento del elevador se hará con respecto al
funcionamiento de la banda de alimentación y el tornillo sin fin, es decir: Si se
apaga la banda de alimentación tanto el elevador como el tornillo sin fin deberán
apagarse, si simplemente se apaga el tornillo el elevador también lo hará
permaneciendo la banda encendida.
41
En los siguientes diagramas se esquematiza el funcionamiento actual del sistema
(parte A) y el sistema con el enclavamiento propuesto (parte B).
Para la parte A el funcionamiento es el siguiente:
Dentro de la secuencia de arranque se tiene que se debe encender primero la
banda de alimentación antes que el elevador y el tornillo sin fin. Luego se inicia el
elevador y por ultimo el sin fin. En la figura podemos observar que si apagamos
cualquiera de los equipos los demás permanecen encendidos
Figura 8 A. Diagrama unifilar del sistema actual. B Diagrama unifilar del sistema enclavado
42
En el diagrama B, se muestra el sistema enclavado. Aquí se muestra que para que
el sistema tanto el tornillo y el elevador arranquen debe haberse encendido antes
la banda de alimentación, tal como en la parte A. Adicional a esto, el apagado de
la banda de alimentación apagará automáticamente tanto el elevador como el
tornillo sin fin. Apagar la banda significa des energizar la bobina C1, al hacer esto
los contactos C1 se abren y cortan el suministro hacia el elevador y hacia el
tornillo. Si se apaga el tornillo sin fin también el elevador se apagara sin necesidad
que la banda de alimentación continúe encendida
6.4.2 Caso 2 Para este sistema, tanto la banda como el elevador operan por separado, no hay
necesidad encender uno de los dos para que el otro encienda. Aquí el
enclavamiento es mucho más sencillo que el anterior y se hará haciendo uso del
sensor de presencia de material que ya esta existe en el montaje, pero que no
presta ningún servicio.
Cuando la banda se quede sin material que transportar, el sensor de presencia
activara la bobina C5, que apagará la banda de alimentación y posteriormente el
elevador. Si se apagase la banda a voluntad también el elevador se apagara, así
en la tolva de alimentación todavía haya material.
43
Figura 9. A Diagrama unifilar del sistema actual. B Diagrama unifilar del sistema enclavado
44
7. APLICACIONES TÉRMICAS. AIRE ACONDICIONADO
Las aplicaciones térmicas hacen referencia a sistemas de calefacción refrigeración
y vapor. Dentro de los sistemas de refrigeración encontramos entonces los de aire
acondicionado, que son aquellos compuestos por máquinas frigoríficas
encargadas de tratar el aire y enfriarlo hasta una determinada temperatura. Dentro
de las máquinas refrigerantes se encuentran los llamados Chiller de enfriamiento,
cuya finalidad es igualmente enfriar el aire, a través de una transferencia de calor
entre una corriente de agua caliente y otra de agua fría.
El objetivo de este trabajo no incluye la descripción de los sistemas de
refrigeración, por lo tanto no se entrara a discutir su funcionamiento. Lo que por el
momento nos interesa es la existencia de los sistemas de aire acondicionado
dentro del parque industrial, más específicamente el sistema de aires del edificio
administrativo, y la incidencia de estos en el consumo de energía eléctrica.
7.1 DISTRIBUCIÓN DEL SISTEMA DE AIRE ACONDICIONADO
El sistema de aire acondicionado del edificio administrativo consta de los siguientes subsistemas:
Chiller de refrigeración: Compuesto por dos bombas y 2 compresores,
los cuales le proporciona aire frio a los laboratorios y a parte de las
oficinas.
Máquinas manejadoras: Equipos compuestos por un sistema de
refrigeración y otro de ventilación para transportar el aire. Proporciona
el aire a las oficinas.
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Las máquinas manejadoras están ubicadas en puntos clave dentro de cada piso
del edificio y pueden ser manejadas a gusto del usuario. El apagado de estas
máquinas es entonces a voluntad de quien las usa, para poderlas apagar
totalmente se debe apagar el breaker de alimentación correspondiente. El
apagado que puede hacer el personal de oficina, corresponde solo al apagado del
ventilador, el sistema bombeo para la refrigeración continúa encendido mientras el
breaker no se abra.
Los equipos de aire acondicionado (chiller y máquinas manejadoras) están
alimentados tal como se muestra en la figura siguiente, por lo tanto no se pueden
apagar todos equipos en simultáneo y cuantificar su consumo total, sin embargo
se puede medir cada consumo de manera individual y decir que el consumo total
es la suma de los consumos parciales.
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Figura 10. Diagrama unifilar del sistema de alimentación del aire acondicionado
Por simplicidad en el diagrama se asoció solamente un contacto a las
manejadoras grandes y pequeñas de cada piso, sin embargo cada una posee su
contactor asociado y las demás protecciones correspondientes.
7.2 ESTIMACIÓN DEL CONSUMO ELÉCTRICO DEL SISTEMA DE AIRE ACONDICIONADO
Para estimar el consumo del sistema se midió la demanda de potencia en los
tableros que tenían asociados a ellos parte del sistema de aire acondicionado. Se
midió en primera instancia el sistema completo, posteriormente se apagó cada
subsistema asociado al aire y así el ahorro producido en la segunda medición
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corresponde a la diferencia entre el consumo del sistema de aire, si estuviera
encendido y el sistema apagado, solo en la franja de tiempo en que se apago el
sistema.
Los puntos donde se efectuó la medida fueron los siguientes:
En el breaker totalizador BR1
A la salida del transformador 440V/220V
En el breaker totalizador BR4
7.2.1 Apagado del Chiller de enfriamiento:
Los resultados obtenidos al apagar el breaker alimentador del Chiller se observan
en la figura x.
Cuando el chiller se dejo encendido dentro de la franja de las 8 pm hasta las 6 am,
se presentó un consumo de energía de 247.653 kWh, mientras que cuando se
apagó el consumo fue de 0 kWh, que es lo que se espera pues el breaker solo
alimenta el chiller, por lo tanto no hay nada más encendido que pueda consumir
energía.
Entonces el ahorro por día al apagar el chiller, con un valor por kWh de $ 199.36,
es de $ 49.372, luego en un mes esto suma $ 1’481.163.
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Figura 11. Consumo de energía del chiller de enfriamiento
7.2.2 Apagado de las máquinas manejadoras grandes del 1º y 2º piso del edificio administrativo: Al apagar las máquinas manejadoras en el mismo intervalo de tiempo, el consumo
de potencia que se obtuvo se muestra en la figura x.2.
Para este caso el consumo durante esas 10 horas cuando las manejadoras se
dejaron encendidas fue de 138.619 kWh, mientras que cuando se apagó fue de
20.18 kWh. Luego el ahorro diario de energía es de unos 118.439 kWh lo que
representa un ahorro de $ 23.611 diarios o $ 708.359 mensuales.
49
7.2.3 Apagado de las máquinas manejadoras más pequeñas del 1º y 2º piso y las máquinas del 3º piso del edificio administrativo. Apagando las máquinas que manejan el aire acondicionado el comportamiento de
la potencia es el de la figura 3.
Sin apagar el aire acondicionado de los pisos el consumo es de 229.988 kWh y
apagándolo es de 145.105 kWh luego el ahorro es de 84.883 kWh diarios, lo que
se traduce en $ 16.922 diarios o $ 507.668 mensuales.
Tabla 12. Consumos y ahorros en el sistema de aire acondicionado
Chiller Manejadoras 1º y 2º piso
Manejadoras pequeñas 1º ,
2º y 3º piso TOTAL
Consumo Encendido
[kWh] 247.653 229.988 138.619 616.26
Consumo Apagado
[kWh] 0.00 145.105 20.18 165.285
Ahorro [kWh] 247.653 84.883 118.439 450.975
Ahorro /día [$] 49372 16922 23611 89905
Ahorro /mes [$] 1481163 507668 708359 2697190
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Figura 12. Consumo de energía del aire acondicionado del 1º y 2º piso
Figura 13. Consumo de energía del aire acondicionado restante del 1º, 2º y 3º pi
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Según la Tabla 4.1, en promedio con apagar los sistemas de ventilación entre las
8 pm y las 6 am, horarios en que el personal no se encuentra laborando en el
edificio, el ahorro mensual seria de unos $ 2’697.190.
7.3 DISEÑO DEL SISTEMA DE APAGADO Y ENCENDIDO AUTOMÁTICO PARA EL AIRE ACONDICIONADO
No existe una cultura dentro del parque industrial de apagar el aire al salir de la
oficina para evitar este quede encendido, ni tampoco un sistema automático que
corte el suministro de energía a las máquinas manejadoras o al chiller de
refrigeración, Sin embargo se mostró que el hacerlo trae un ahorro significativo de
energía y por tanto una ahorro económico.
Por lo tanto se propondrá a continuación un sistema automático que replique el
ensayo todos los días a las horas establecidas. El diseño se hará por medio de
PLC’s que serán los encargados de dar las señales de cierre y apertura de los
contactores de potencia encargados de suministrar la energía a cada uno de los
sistemas de ventilación.
El funcionamiento del sistema automático, es simple y se explicará a continuación:
El PLC estará programado para qué a las 8 pm abra los contactores de protección
de las bombas compresores y unidades manejadoras de aire acondicionado. Una
vez abiertos los contactos el PLC esperara otro tiempo para volver a cerrar los
contactos (6 am), este tiempo será igualmente programado. Para evitar que los
fines de semana se encienda innecesariamente el aire acondicionado se el PLC
tendrá un contador interno, que realizara el ciclo anterior solo 5 veces continuas; A
la sexta vez, el ciclo se interrumpirá y pasara a un tiempo de espera que deberá
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ser iguala dos días. El funcionamiento anterior se puede explicar por medio de la
herramienta grafica de las redes de Petri.
Figura 14. Red de Petri del automatismo
La selección del tipo de PLC no es tan crítica como si lo puede ser la selección de
los contactores que se pretenden utilizar.
Selección del PLC: Para seleccionar el PLC debemos tener en cuenta
que el que seleccionemos debe poder manejar timers internos y
contadores pues en base a esto fue que hicimos el diseño del
automatismo. Selección de los contactores: A la hora de seleccionar un contactor se
debe tener en cuenta las siguientes consideraciones:
o Tensión de alimentación de la bobina o Número de veces que se abrirán y cerraran los contactos o Corriente de servicio o consumida por la aplicación.
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o La corriente de cortadura que depende de la categoría del servicio de
la aplicación
La siguiente tabla resume los tipos de servicios y los relaciona con la corriente de
cortadura:
Tabla 13. Categorías de servicio de los contactores11
CATEGORIA DEL SERVICIO
Ic/In FACTOR DE POTENCIA
AC1 1 0.95 AC2 2.5 0.65 AC3 1 0.35 AC4 6 0.35
La categoría AC1 hace referencia a circuitos de corriente alterna como sistemas
de calefacción, distribución o alumbrado, donde haya poca carga inductiva y el
factor de potencia es al menos igual a 0.95. La AC2 para arranque de motores de
anillos y aplicaciones como bombas centrifugas y mezcladoras. AC3 para
arranques de motores de jaula de ardilla para motores de ventiladores, aires
acondicionados o compresores y la AC4 para frenados a contracorriente de
motores de jaula de ardilla o de anillo.
En la aplicación solo se requieren dos contactores, que se utilizarían para sacar de
funcionamiento las manejadoras grandes del primero y segundo piso, es decir dos
contactores aguas abajo de los breaker de alimentación BR2 y BR3. Como estas
manejadoras están muy dispersas no es posible agruparlas y asignarles un PLC
solamente a ellas, como si se puede hacer con las demás unidades. Los demás
equipos no se requieren contactores adicionales debido a que cada aplicación
11 http://personal.redestb.es/jorgecd/contactor.html
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tiene sus protecciones, entonces se utilizaran estas para ser accionadas por el
PLC.
Posteriormente se mostrara la ubicación de los puntos donde se encontraran los
PLC y los equipos asociados a estos.
7.3.1 Cálculo de contactos
Contactor asociado a las manejadoras grandes La siguiente corresponde a la demanda de corriente del sistema.
Figura 15. Demanda de corriente de las manejadoras grandes
De las mediciones se obtiene que los valores promedio de funcionamiento del
sistema son los siguientes:
Voltaje línea neutro (V)
Corriente (A) Potencia (kW)
Factor de potencia
125,2663 38.449 11.662 0.74
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La corriente que aparece en la tabla es el valor promedio de la demanda de
corriente en las horas del día. Si observamos en la graficas, a partir de las 6pm la
demanda de corriente disminuye, esto se debe a que las personas apagan el
ventilador del aire, pero no el sistema de bombeo; además esta va a ser la hora en
que se apaguen los sistemas. Luego solo no se considerara la demanda de
corriente entre las 6 pm y las 8 am.
Para calcular entonces el contactor usamos la corriente de servicio del sistema
que corresponde a la corriente nominal utilizada In=38.449 A. De la tabla 4.2, para
un factor de potencia de 0.65 tenemos que:
(4.1)
Como PF= 0.71, cercano al valor de la tabla, utilizamos esta ecuación para hallar
la corriente de cortadura del contactor asociado a esas máquinas.
Contactor asociado a las manejadoras pequeñas La siguiente corresponde a la demanda de corriente del sistema
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Figura 16. Demanda de corriente de las manejadoras pequeñas Los valores promedio de funcionamiento del sistema son los siguientes:
Voltaje línea neutro (V)
Corriente (A) Potencia (kW)
Factor de potencia
125.52 17.657 5.767 0.77
Utilizando la misma relación con los mismos criterios, el resultado para la corriente
de cortadura es el siguiente:
Se propone entonces la elección de un contactor KM1 de referencia LC1-D115,
capaz de soportar la corriente calculada y las variaciones de la corriente nominal
que se muestra en la figura para las manejadoras grandes. Para las manejadoras
pequeñas se recomienda un contactor KM2 de referencia LC1-D50 que cumple
con los requerimientos calculados12.
La figura siguiente muestra la ubicación de los PLC y los contactores calculados
para que manejen los sistemas.
12 Guía práctica. Comando y protección de potencia. Schneider Electric
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Figura 17. Diagrama de conexión del sistema automático EL PLC 1 tendrá 6 salidas para que controle tanto los dos compresores junto con
las bombas del chiller de refrigeración, como los dos contactores asociados a las
máquinas manejadoras grandes del primer y segundo piso (KM1 y KM2). Los PLC
2, 3 y 4 asociados a las máquinas más pequeñas de los pisos, tiene un número de
salidas correspondiente al número de máquinas que va a manejar.
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8. CONCLUSIONES
‐ Es importante tener siempre en cuenta todos aquellos factores que me
garantizan el funcionamiento correcto de los procesos, y es aun más
importante tener los valores óptimos de funcionamiento de estos
procesos, para que no se presenten una cantidad de perdidas que de
tener claro todos estos valores óptimos, no se presentarían. Para este
caso el factor de potencia, las corrientes de trabajo, los porcentajes de
carga y las potencias utilizadas en cada proceso representan los
factores a tener en cuanta para disminuir al máximo las perdidas y
mejorar el proceso productivo.
‐ No siempre los resultados obvios deben llevar a tomar soluciones
inmediatas; el hecho de que muchas de las operaciones estén
trabajando con un motor sobredimensionado no debe implicar el cambio
inmediato de estos motores, sin tener en cuenta antes las implicaciones
económicas que estas acciones tomadas a la ligera pueden traer.
‐ El funcionamiento de los procesos siempre debe estar a las condiciones
en las cuales estos arrojen la mayor cantidad de beneficios posibles. El
llevar estos procesos a condiciones óptimas de funcionamiento puede
generar una inversión, sin embargo esta se vera prontamente
subsidiada por los nuevos beneficios del proceso corregido. El operar
los procesos en condiciones óptimas también trae como resultado una
calidad adecuada del producto; no se debe de ninguna manera atentar
contra esta tratando de buscar un ahorro de anergia y deteriorando el
proceso productivo.
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‐ Cuando se habla de ahorro de energía siempre se tiende a pensar en
como disminuir el consumo en aquellos sistemas que consumen más y
por tanto, hacer una acción correctiva sobre ellos generaría un ahorro
importante; sin embargo aquellos procesos pequeños que se llevan a
cabo y que en ocasiones no se consideran importantes dentro del
consumo, pueden generar un ahorro igual de importante si se suman
todos los pequeños aportes que hace cada proceso. Como se mostro,
un caso aislado no genera mucho consumo, pero la suma de todas
aquellas veces que se puede presentar este dentro de la planta sí es
importante y se debe considerar como tal. Así como son pequeños sus
aportes, igual de pequeñas son las medidas que se deben tomar para
corregirlas. Correcciones que no llevan mayor tiempo y no generan un
gasto mayor, pero si liberan el proceso del descuido del operario.
‐ Es común encontrar sistemas el de aire acondicionado, en donde una
practica tan sencilla como mantenerlo apagado mientras no se este
utilizando, trae beneficios económicos, que dependiendo del sistema
pueden ser grandes o pequeños; para nuestro caso este hecho tiene un
impacto considerable que justifica entonces un sistema automático
como el propuesto, donde la inversión que se pueda realizar para
llevarlo acabo no supera el 30% de lo que se ahorra en consumo de
energía en un año
60
9. BIBLIOGRAFÍA
• AUSTIN, Leonard., CONCHA, Fernando. Diseño y simulación de circuitos de molienda y clasificación. Chile : Universidad Técnica Federico Santa María Ediciones, 1994. 392 p.
• DANFOSS. Conceptos útiles en convertidores de frecuencia. P 1-4 • DIEZ, Carlos Mario. Instalaciones eléctricas. Colombia: SENA • EPSON, T.M. Energy saving system for induction motors: Are they a sham?,
Do they wok?. 1999. P 1-9. • GARCIA, Neri. Roger. Ahorro de energía con variadores de velocidad.
2003. P 1-20. • http://personal.redestb.es/jorgecd/contactor.html • ISA. ANDI. Manual de ahorro de energía en la industria. Colombia. 140 p. • MANTILLA, Luis Fernando., CARDONA, Juan Antonio. Gestión energética
de los motores eléctricos: mejora de la eficiencia de los accionamientos con el uso de variadores de velocidad. España: Universidad de Cantabria. P 1-8.
• PEREZ, Rafael. Manual de automatismos. 2007. 42 p. • SCHNEIDER ELECTRIC. Automation solution guide. 2007. 302 p. • SCHNEIDER ELECTRIC. Manual electrotécnico Telesquemario. España,
1999. 285 p. • SIEMENS. Motores eléctricos. Catálogo general. México. 2005. 80 p. • SIEMENS. Motores eléctricos de inducción. Generalidades. 30 p.
• VILCHEZ, Enrique .Automatismo. 14 p.ediciones. 1995. 562 p.