Por Tom Godbey, especialista en aplicaciones de Donaldson Torit, y Dan Johnson, ingeniero de aplicaciones de Donaldson Torit
La industria consume el 27 % de la energía eléctrica minorista que se produce en Estados Unidos, y los ventiladores y las bombas representan el 40 % de ese porcentaje (siendo los ventiladores los sistemas que la acaparan).(Ref 1 y 2) Sin embargo, ¿cuándo fue la última vez que su empresa realizó una auditoría del aire para ver cuánto aire circula al día y la potencia utilizada para moverlo? La mayoría de las plantas mueven más flujo de aire que el producto generado, y se necesita una cantidad significativa de energía para moverlo. Dado que la energía es dinero, si podemos ahorrar energía para hacer que el aire circule, podemos ahorrar dinero y reducir el coste del producto generado.
El aire tiene peso y, por eso, debemos seguir un buen criterio de ingeniería cuando se trata de sistemas de escape. El aire estándar se define como un gas que contiene:
- un 78,1 % de nitrógeno,
- un 21 % de oxígeno,
- un 0,9 % de argón y
- cero humedad, a nivel del mar y a una temperatura de 21,1° C (70° F).
En condiciones estándar, el aire pesa 1201 gramos por metro cúbico (0,075 lb/ft³). Un sistema estándar de extracción de polvo con un conducto de entrada de 76,4 cm (30 pulgadas) de diámetro que vaya hasta un ventilador gestiona aproximadamente 28 883 metros cúbicos de aire por segundo (17 000 cfm). O, en términos de peso, el ventilador gestiona más de 303 906 toneladas de aire (o 335 000 toneladas) al año basándonos en un funcionamiento de 24 horas al día. Muchas instalaciones tienen sistemas múltiples como este.
¿Cuánto dinero gastamos en la circulación de aire en una planta? La energía es dinero, por lo que implementar cambios que ahorren energía es como meter dinero en el banco. Este documento se centrará en el coste de circulación del aire a través del sistema, o lo que es lo mismo, el coste de funcionamiento del ventilador, en lugar de los costes asociados al calentamiento, enfriamiento o la humidificación del entorno de trabajo.
La potencia necesaria en el eje de un ventilador se conoce comúnmente como la potencia al freno [Bhp] del ventilador. La Bhp se puede calcular con esta fórmula:(Ref 3)
bhp = (Q x ∆P / 6356 x Nf) x df
Donde
bhp caballos de potencia del eje del ventilador
Q flujo de aire en pies cúbicos por minuto (cfm)
∆P caída/subida de presión en el ventilador en columna de agua por pulgada (″ wg)
6356 constante
Nf eficiencia del ventilador expresada como decimal
df factor de densidad definido como la densidad real/densidad de aire estándar
En este documento, se asumirá que el aire está en condiciones estándar, por lo que df = 1.
Las eficiencias típicas de los ventiladores oscilan entre el 60 % y el 68 % para ventiladores de aspas radiales y entre el 70 % y el 80 % para diseños de ventiladores inclinados hacia atrás. El tipo de ventilador utilizado en un sistema de venteo industrial debe determinarse según sus requisitos de uso y rendimiento. Los diseños de ventilador de aspas radiales se usan normalmente en flujos de aire sucios, mientras que los diseños de ventiladores inclinados hacia atrás se emplean en flujos de aire relativamente limpios, como en el lado limpio de un captador de polvo. Por desgracia, muchos de los ventiladores antiguos presentan un diseño con aspas radiales ineficientes. Pueden presumir de características de rendimiento sólidas, pero se instalaban con poca o ninguna consideración en cuanto al consumo de energía, porque la energía era barata en el momento de su compra.
Los costes de energía se contabilizaban en kilovatios (kW), no Bhp; por lo tanto, la Bhp debe convertirse a kW. Para convertir la Bhp a kW, simplemente multiplique la Bhp por 0,746. Pero para obtener la energía total en el motor, esta energía del eje debe dividirse por la eficiencia del motor, Nm.
La eficiencia del motor depende de su diseño, no obstante suele rondar el 90 por ciento [0,9]. A menudo, se producen pérdidas eléctricas adicionales en los arrancadores y pérdidas de transmisión en las tuberías entre el medidor eléctrico y el motor. Estas pérdidas son pequeñas y, a efectos de considerar ahorros relativos, son lo suficientemente insignificantes como para agruparlas en la eficiencia del motor del 90 %. Ahora, multiplique los kW ajustados por las horas de funcionamiento y el coste de la electricidad por kW hora.
Coste anual = (Q x ∆P x 0,746 x H x 52 x C) / (6356 x Nf x Nm)
Donde
52 Semanas de funcionamiento al año
H horas de funcionamiento por semana
C coste por kW hora
Sí, el 6356 y el 0,746 se pueden combinar en una sola constante, pero luego la cadena lógica se rompe. Esto responde a la pregunta: ¿Qué constituye el coste de energía del aire?
¿Qué partes de la fórmula de coste de energía podemos controlar?
De todos los elementos en esta fórmula, los únicos en los que los diseñadores y operarios de sistemas de ventilación industrial pueden influir son el flujo de aire y la pérdida de presión.
¿Cómo controlamos estas variables?
Si el objetivo es minimizar la energía, entonces el flujo total de aire en el sistema debe reducirse al mínimo y el diseño debe reducir la pérdida de presión (o la resistencia al flujo) tanto como sea posible durante el mayor tiempo posible.
Ejemplos para lograr estos controles y ahorrar energía
Prácticas recomendadas para el diseño
Una forma de minimizar el volumen de aire y reducir las pérdidas de presión en un sistema de filtración es seguir unas prácticas recomendadas para el diseño desde el principio. El diseño es un tema demasiado amplio y extenso como para abarcarlo por completo en este documento, pero existen muchos recursos de consulta sobre el diseño, como las conferencias de ventilación industrial. (http//www.michiganivc.org) entre otros. Estas conferencias son cursos de formación sobre cómo diseñar sistemas de escape que funcionen con la menor cantidad de volumen de aire total, con una pérdida de estática/resistencia mínima del sistema y un rendimiento máximo del ventilador.
Muchas plantas tienen instalaciones similares a la ilustrada en la Figura 1.