UT 2 - Analisis Energetico Equipos y Sistemas
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Para el confort, existen normas que vinculan iluminaciones mínimas (lux) en función
de los trabajos a realizar por las personas.
Ejemplo: Edificios de oficinas mínimo 400 lux (media).
Entonces el primer paso para conocer hasta donde podemos bajar el nivel de
iluminación será conocer si existen normas, ejemplo, seguridad en el trabajo y buscar
la escala mínima.
Niveles según nuestro (España) RD REAL DECRETO 486/1997, de 14 de abril, por el
que se establecen las disposiciones mínimas de
seguridad y salud en los lugares de trabajo.
Las medidas de ahorro y eficiencia que nos podemos encontrar en los sistemas de
iluminación serán:
Bombeo.
Ventilación.
Compresión.
Tracción.
Transporte de fluidos.
Otros.
Para estos equipos las medidas de mejora están relacionadas con la construcción del
motor, con el control de velocidad y en menor medida con la regulación de los
armónicos. También hay un valor importante que es la reactiva que produce el
bobinado del motor y que provoca desfases entre V e I en la red de suministro.
Constructivamente.
Los EU MEPS para motores eléctricos fueron aprobados el 22 de julio de 2009 por el
Parlamento Europeo. Fijan niveles de eficiencia obligatorios para motores eléctricos
introducidos en el mercado Europeo.
Se aconseja que para potencias hasta 200 kW se escoja siempre un IE2 ya que la
diferencia de costo con el IE1 no es relevante, en cambio, un IE3 es mucho más
costoso por la fabricación y materiales del tipo de motor. Sin embargo, para potencias
superiores a 200 kW se aconseja utilizar los de la clase IE3, sobre todo en
ambientes duros de producción industrial como: polvo en suspensión, altas
temperaturas, humedades, etc. Estos equipos constructivamente presentan
características diferentes que los hacen más aptos a la hora de trabajar en ambientes
críticos.
Ejemplo
Código identificación X-XXX-X
Motor eléctrico Schorch
Modelo o Tipo 76V5413
Potencia nominal (kW) 300
Tensión nominal (V) 6.000
Intensidad nominal (A) 31,7
Cos fi 0,91
r.p.m. 2.980
Régimen de trabajo (hh/año) Producción
Variador de frecuencia No
Año de instalación 1.999
Rendimiento nominal (100%) 95,5
Rendimiento nominal (75%) 95,3
Reductor modelo
promedio en su vida útil de 1,5% (al principio menor a 1% y a partir del año 10
será mayor a 2%). Por lo tanto, en el motor anterior y considerando que
trabaja la mayor parte del tiempo en la zona del 75% de carga, al realizar la
recogida de datos se debe contemplar éste aspecto. En este caso, el
rendimiento actual será de 93,2%.
Control de velocidad.
A la velocidad del motor nominal, las variaciones del efecto mecánico: bombeo,
ventilación, etc, a par variable, se obtienen mediante restricciones mecánicas como
válvulas. Esta reducción de caudal apenas disminuye la potencia absorbida. Por
ejemplo, en un ventilador con regulación del caudal por válvula de salida, al 80% del
caudal nominal, la potencia consumida es el 95% de la nominal.
Ejemplo:
Reactiva y armónicos.
Ejemplo:
Para conocer el efecto de esos armónicos tengo que calcular el verdadero valor eficaz.
Es decir, como afectan todas las componentes a cada múltiplo de frecuencia normal y
aplicar la ecuación siguiente:
Ejercicio 3.
'RENDIMIENTO BOMBA HIDRÁULICA'.
Leer el documento y un alumno deberá realizar este trabajo como ejercicio en
casa para presentarlo en clase.
El Ciclo de Refrigeración.
Refrigerante.
Compresor.
Condensador.
Válvula de expansión.
Evaporador.
Al revisar este sistema en una empresa, debo enfocarme en los siguientes puntos
donde puede haber ineficiencia:
Compresor:
- Potencia.
- Tipo de refrigerante: Los refrigerantes ecológicos trabajan a menor
presión, por lo que reduce el trabajo del compresor, logrando un ahorro
en el consumo energético.
Evaporador:
- Temperatura de evaporación.
Condensador:
- Temperatura de condensación.
Los climatizadores o UTA’s, unidades de tratamiento de aire, son equipos cuya misión
en transferir energía en forma de calor o frío al aire a partir de baterías de agua
caliente o fría.
Imágenes de diferentes UTA’s:
Y motores de ventilación:
FREE – COOLING
La solución final llevada a cabo fue motorizar las compuertas de mezcla, renovación y
retorno con variadores de frecuencia y controlados por sondas CO2 distribuidas por el
recinto. Se consiguieron mezclas de hasta el 85% del aire de retorno.
Para analizar las ineficiencias de estos sistemas se presenta la siguiente imagen
donde se debe realizar una situación del camino que lleva al aire de renovación
(entrante) hasta que es expulsado del recinto (saliente), tal y como refleja la
siguiente imagen:
Para ello, es necesario establecer las distintas tecnologías a emplear ya sea agua fría
o expansión directa, los tipos de condensación a agua o aire, etc., considerando el
diseño de la instalación para la función a que va a ser utilizada. Debe tenerse en
cuenta que instalar equipamientos más eficientes, adoptar aislaciones más eficaces,
proyectar edificios que disipen menos energía o proveer instalaciones que recuperen
energía, obliga a mayores inversiones económicas que deben retornar con el ahorro
que pueda conseguirse, sobre la base del tiempo que se considere necesario
establecer como razonable.
Para esbozar los lineamientos básicos a adoptar en el proyecto, debe conocerse el
problema en su real dimensión, como ser la cantidad y características de los
consumos y los ahorros que se pueden obtener, por lo que se hace necesario medir
con datos objetivos los procesos energéticos que se producen, para determinar donde
es posible y conveniente la aplicación de nuevas tecnologías.
En el caso de edificios existentes el proyecto de mejoras energéticas consiste en
actuar sobre cada problema concreto, por ejemplo, controlar los niveles de trabajo de
los equipos o set-point de operación, verificar los flujos de aire y agua, analizar la
posición de los sensores ambientales, optimizar los consumos, mejorando las
operaciones de manutención, como la limpieza de los filtros, control del estado de
funcionamiento de los equipos, circulación del aire o agua, etc. En muchos casos se
trata de problemas por una mala ejecución, como la poca circulación del aire o sub
dimensionamiento de los equipos, que requieren para su solución, la ejecución de
trabajos y de nuevas inversiones.
En las ampliaciones de los edificios, la modificación de las instalaciones de aire
acondicionado por aumento de los sistemas instalados, cambios de tecnologías, etc.
requieren una estrategia de crecimiento. El agregar nuevas máquinas a las ya
existentes para satisfacer necesidades de ampliación no previstas, lleva muchas veces
a resultados finales de instalaciones de distinta técnica, con bajos índices de
eficiencia, altos costos de espacio, gestión y mantenimiento, por lo que debe
analizarse siempre con mucho detenimiento la posibilidad de adicionar los
equipamientos de la manera más racional posible.
Un punto crítico en la fase del diseño lo constituye muchas veces la falta de datos
ciertos y significativos sobre las características de las necesidades de
acondicionamiento y su programa de desarrollo a corto, medio y largo plazo debido a
las continuas innovaciones y modificaciones tecnológicas, por lo que se debe contar
con una información completa y lo más actualizada posible, con objeto de prever los
futuros cambios en los procesos, que permitan una adecuada planificación del
proyecto orientado al ahorro energético.
Existen numerosas tecnologías y medios de aplicación para disminuir el consumo
energético, por lo que se deben analizar las características particularidades de cada
caso, de modo de aplicar conceptos de diseño en la selección de los sistemas, que
permitan obtener menores gastos en la fase de explotación y mantenimiento,
pudiéndose considerar para su estudio los siguientes parámetros básicos:
La forma más clara de ahorrar energía es la de buscar todas aquellas soluciones que
limiten en forma temporal o cualitativamente los consumos energéticos del sistema.
Es indispensable como primer medida en la fase inicial del proyecto, la adopción de
soluciones arquitectónicas que tiendan a la reducción del consumo energético
mediante un correcto uso del aislamiento térmico, teniendo en cuenta la radiación
solar y una adecuada especificación de aventanamientos para reducir ganancias de
calor e infiltraciones, ya que ello implica equipos de aire acondicionado y calefacción
más pequeños, con un consumo menor.
Los vidrios de las ventanas actúan como una trampa de calor dado que dejan pasar la
luz solar y calientan los elementos del ambiente, pero la radiación calórica invisible
que estos emiten a su vez no pasa a través del vidrio, por lo cual el calor almacenado
no puede escapar denominándose efecto invernadero, de modo que las reflexiones
sucesivas de la radiación calórica en las paredes, pisos y mobiliario de un recinto
hacen que éste actúe prácticamente como una caja negra que absorbe toda la
radiación incidente. Si bien en invierno este efecto invernadero es sumamente
beneficioso, no lo es en verano, debiéndose dotar de una buena protección solar a las
ventanas.
Además, es muy importante analizar la automatización de los circuitos de alumbrado
en función de los horarios de uso y de acuerdo a los requerimientos. La utilización de
lámparas de alto rendimiento constituye un elemento a considerar, así como
también reguladores que permitan reducir automáticamente el nivel de iluminación
y el eventual apagado, en función de las reales necesidades.
Entre las muchas formas de lograr ahorro energético en instalaciones de aire
acondicionado se puede mencionar como la más simple su propio aislamiento térmico
y la disminución o aumento de la temperatura de diseño o set-point de los locales
según sea invierno o verano respectivamente, que puede suponer un ahorro anual,
siempre que ello no implique una reducción substancial de las condiciones de confort.
Free-cooling.
entalpía cuando las condiciones exteriores son favorables como en verano, para
disminuir el uso de los equipos de aire acondicionado. Se trata de utilizar el aire exterior
y mezclarlo con el retorno para volverlo a introducir sin demandar que actúe el fluido
refrigerado.
Enfriamiento evaporativo.
Ejercicio 5.
'ENERGILÓGICA'. APLIQUEMOS LA LÓGICA EN EL ANÁLISIS
ENERGÉTICO.
Es el documento power point denominado 'Energilógica'. Responder a las
cuestiones que se plantean.
Ejercicio:
Para repasar todos estos conceptos se propone realizar el ejercicio del Anexo
6, que representa un climatizador con varias etapas de trabajo.
Finalmente vamos a realiza otro ejercicio de comprensión y adecuación de
una instalación a la demanda analizada.
De los tres ítems anteriores, el que tiene una mayor incidencia es el primero, ya que
un periodo de funcionamiento de diez años representa más del 70% del costo total.
Producción 65%
Usos
inapropiados 5%
Demanda
artificial 10%
Acciones de mejora:
Como vimos en la primera parte de este artículo, se requiere un control maestro del
sistema para coordinar todas las funciones necesarias para optimizar el aire
comprimido. Los controles maestros del sistema trabajan con todas las marcas y tipos
de compresores, y pueden coordinar la operación del compresor satélite, o en
diferentes edificios.
Un control maestro del sistema apropiadamente configurado puede determinar la
respuesta más eficiente energéticamente a eventos que ocurran en el sistema.
Un grupo de compresores normalmente consiste en varios compresores de
carga/descarga. El control maestro selecciona los compresores para producir la
demanda requerida, evitando que los compresores trabajen en régimen de descarga.
Los modelos termodinámicos muestran que la temperatura de entrada del aire más
alta provoca que se requiera más potencia para hacer funcionar el compresor. El
consumo de energía se eleva aproximadamente 0,3 % por Cº. Las instalaciones bien
diseñadas usan aire exterior y tienen la admisión en el lado norte del edificio, y lejos
de fuentes de calor como los conductos de vapor, quemadores, hornos, etc. Estas
medidas pueden resultar en una reducción de la temperatura de admisión en 10 ºC,
ahorrando alrededor del 3,5 % de la energía.
regeneración del desecante se hace ya sea por aire purgado o por calor. Los tipos
especiales son los secadores regenerativos, que usan el calor generado durante la
compresión para llevar a cabo la regeneración del desecante.
Ya que las pérdidas son casi imposibles de ver, y no pueden siempre ser
escuchadas, deben usarse otros métodos para localizarlas. La mejor forma de
detectar pérdidas es usar un detector acústico ultrasónico, que puede reconocer
los silbidos de alta frecuencia asociados con pérdidas de aire.
Ejemplo de pérdidas que sí son visibles:
El aire que se comprime a una presión más alta que lo necesario es un derroche de
energía. Nuestro modelo termodinámico muestra que una presión de salida más alta
demanda una mayor potencia en el compresor para la misma cantidad de aire
comprimido.
El consumidor que necesita la presión más alta a menudo determina la presión de
salida. En muchos casos, es útil dividir la red en una presión neta baja y una presión
neta alta, que es alimentada por un compresor diferente.
Hay también otras penalizaciones para presiones más altas que las necesarias.
La elevación de la presión de descarga del compresor incrementa la demanda
de cada uso no regulado, incluyendo pérdidas, soplado abierto, etc.
Una parte importante de la energía mecánica se convierte en calor. Una gran parte de
esto puede recuperarse bajo la forma de aire caliente o agua caliente a baja
temperatura.
A modo de ejemplo, en el Anexo 8 donde nos presenta un estudio y un análisis de
coste beneficio de una instalación de un sistema recuperador de calor del circuito de
refrigeración de la compresión para obtener agua caliente para proceso
Una caldera está formada principalmente por un cuerpo con tubos por donde circula el
agua, un quemador con llama difusa la chimenea de evacuación de los gases de
escape producto de la combustión. Es decir, un quemador y un intercambiador. Los
otros elementos son auxiliares de este sistema.
En la imagen anterior podemos observar los puntos críticos que afectan a las pérdidas
energéticas de un circuito de generación de vapor.
En la siguiente imagen vemos un detalle de como se recupera el condensado:
La mayoría de las calderas no tienen un rendimiento del 100%, ya que cerca del 20%
del calor generado se pierde.
Esta pérdida de calor puede aumentar hasta el 30% o más si la caldera no tiene un
buen mantenimiento o no se opera correctamente.
Tabla de Lista de acciones a comprobar en una caldera y como afecta al rendimiento:
económicos.
Los pilotos de
las calderas de
gas consumen
cantidades
importantes de
gas.
8.- ¿Ha Las calderas se Disponga que se instalen
comprobado si las encienden aun nuevos circuitos
calderas se cuando el (cableado) para que el
encienden aunque termostato de la termostato y el
no haya demanda sala, o temporizador de
de calefacción en temporizador, calefacción apaguen tanto
las zonas de apaguen la las bombas de circulación
trabajo? bomba. Esto como las calderas.
conlleva un
gasto adicional
en periodos en
los que no hay
demanda de
calor.
Las calderas sin aislamiento pierden calor hacia las zonas circundantes. Esto
supone un gasto adicional de energía.
Compruebe que las calderas están debidamente aisladas (como mínimo 50
mm en el grosor del aislamiento).
Si no están aisladas ponga una manta de 50 mm de roca mineral (muchos
fabricante suministran aislantes a la medida para sus unidades).
Aísle todas las válvulas y acoples (de 50 o más milímetros) con camisas de
extracción rápida.
Los sistemas más antiguos generalmente son menos eficientes que los
modernos (del 10 al 30 %).
Compruebe su caldera actual.
Si se trata de un sistema antiguo, considere los beneficios de cambiarlo o
modernizarlo.
Donde vemos que la curva e pérdida de gas de combustión se produce fuera del
intervalo ideal de operación.
¿Cómo se soluciona este problema?, instalando equipos de medición en continuo
de los gases de escape en una configuración ideal de trabajo que conforma la
siguiente imagen:
Consumo
gas para
vapor 5.031.990 kWh
Ahorro gas 6%
Consumo
ahorrado 301.919 kWh
Coste vapor
€ 188.540
Consumo
ahorrado € 11.312
La temperatura de salida del agua recuperada puede llegar tranquilamente a los 95-
98ºC siendo útil este nivel para mezclar con el depósito de condensados antes de
entrar nuevamente en la caldera.
Ejercicio 6,
EL JUEGO DE LAS INEFICIENCIAS.
Por grupos respondan a las cuestiones propuestas