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La disponibilidad y el bajo consumo son las principales prioridades para los equipos giratorios

Informe sobre tendencias en bombas, compresores y accesorios

Dechema01/02/2010

1 de febrero de 2011

La experiencia ha demostrado que los costes operativos de los sistemas existentes en el sector primario aún se pueden reducir de forma considerable. Concretamente, el hecho de instalar motores altamente eficientes y transmisiones de velocidad variable en las máquinas de corriente continua, como las bombas y los compresores, que funcionan a carga parcial, puede reducir el consumo de energía hasta un 50%. Un conversor de frecuencia puede llegar a amortizarse en tan sólo unos meses.

Como respuesta al rápido aumento de los costes energéticos, los equipos giratorios (bombas, compresores, ventiladores, etc.) cuentan con un número cada vez mayor de componentes electrónicos y sensores. Concretamente, las bombas han evolucionado hacia los sistemas mecatrónicos. El software de control que se instala en los chips puede modificarse en función de las necesidades, adaptándose a los requisitos específicos de cada cliente o aplicación.

Los conversores de frecuencia, por ejemplo, se utilizan normalmente para reducir la velocidad de la bomba y que la corriente o la presión se ajusten a la demanda real. Sin embargo, el fabricante de bombas danés Grundfos los emplea para aumentar la velocidad de la bomba en función de las necesidades. Gracias al control del software, en modo supersíncrono el motor se acelera hasta 5.800 revoluciones por minuto. A estas velocidades, las bombas no tienen que ser muy grandes para generar una gran cantidad de energía (no olvidar la ley de la afinidad: el doble de velocidad aumenta la presión en un factor de cuatro), y en consecuencia los fabricantes de equipos pueden ahorrar espacio.

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Nueva bomba de calar para la protección del clima. Foto: Wilo Se.

El fabricante de bombas alemán Wilo SE ha adoptado un nuevo enfoque: la empresa ha anunciado un cambio paradigmático en los sistemas de calefacción, donde se eliminará la bomba central, y en su lugar se instalará una mini bomba en cada uno de los radiadores. Este sistema de distribución de mini bombas también podría ser una alternativa viable en otras aplicaciones. El fabricante alemán KSB AG ha incluido mini bombas en su gama al objeto de satisfacer la demanda de bombas de proceso centrífugas con un volumen de caudal de unos pocos mililitros por hora en el sector del microprocesamiento.

En el otro extremo de la cadena, los clientes siguen insistiendo en el aumento de capacidad de las aplicaciones de generación de energía y de la producción de sustancias químicas básicas en las plantas a escala mundial. Sulzer AG (Suiza) produce bombas de alimentación de agua con transmisiones que alcanzan hasta 50 MW.

La funcionalidad y disponibilidad son factores esenciales

Independientemente de si las bombas pertenecen a la gama mini o maxi, los usuarios buscan ante todo tres características: los equipos giratorios tienen que ofrecer una funcionalidad acorde con la aplicación, un alto grado de disponibilidad y un coste lo menor posible. Cada fabricante tiene que averiguar cómo ofrecer estos tres aspectos al mismo tiempo.  Las soluciones más exóticas probablemente no son las más adecuadas. Los usuarios del sector químico, y más concretamente, los del sector farmacéutico, normalmente optan por las opciones más conservadoras cuando eligen equipos con un papel esencial en los procesos, como es el caso de las bombas y los compresores. Los historiales demostrados les inspiran mayor confianza que las promesas abstractas.

¿Cómo pueden los fabricantes mejorar la disponibilidad de los equipos? Además de optimizar los materiales existentes e incorporar combinaciones con materiales nuevos, los fabricantes siguen mejorando la calidad de la producción y desarrollando sistemas de detección precoz de averías cada vez más sofisticados. Esto se debe a que en la industria de la transformación es esencial que las bombas y compresores sigan funcionando. Antes de estudiar cualquier otro aspecto, los ingenieros de procesos quieren asegurarse de que los equipos ofrecen un alto grado de disponibilidad. No obstante, como los usuarios y responsables de mantenimiento son conscientes del desgaste que sufren los componentes mecánicos móviles (aun cuando el equipo está fabricado con piezas resistentes y de alta calidad), emplean dispositivos de detección precoz de averías para localizar los problemas antes de que se resienta la disponibilidad.

La solución consiste en localizar el deterioro antes de que se produzcan problemas importantes, y en este sentido, la correcta interpretación de las señales de los sensores desempeña un papel vital en el proceso de detección.

ReMain: mantenimiento centrado en la fiabilidad

¿Qué señales indican claramente un problema? Los investigadores de las comunidades industriales y académicas están dedicando un gran esfuerzo al desarrollo de sistemas de diagnóstico en las bombas inteligentes. El hecho de que empresas ajenas al sector ofrezcan sistemas de diagnóstico especiales para bombas es indicio de que existe un potencial de mercado percibido. Los sistemas emplean datos procedentes de los sensores de vibración, presión, temperatura o corriente del motor para evaluar las condiciones del proceso y el estado de la bomba en cada momento.

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Ensamblaje de una bomba multistage en la planta de bombas de Sulzer en Bruchsal (Alemania).

Ninguno de los sistemas de diagnóstico disponibles en el mercado en la actualidad puede predecir la vida útil que queda a los componentes esenciales

No obstante, ninguno de los sistemas de diagnóstico disponibles en el mercado en la actualidad puede predecir la vida útil que queda a los componentes esenciales. Los sistemas de mantenimiento predictivos disponibles hoy en día sencillamente no pueden facilitar esta información.

El proyecto ReMain (Reliability Centered Maintenance o mantenimiento centrado en la fiabilidad) se inició con el objeto de investigar técnicas de predicción de la vida útil que les queda a las bombas. 8 socios del sector y del mundo de la investigación, junto con otras 14 empresas participantes, instalarán un conjunto de sensores especiales en 100 bombas utilizadas en el sistema de producción de Evonik Stockhausen para recopilar datos que posteriormente serán resumidos y analizados.

El éxito del proyecto ReMain dependerá de la obtención de un conjunto de datos óptimo para los modelos. El modelo de predicción de averías descansará sobre una base de conocimiento físico, y después se utilizará información empírica procedente de ensayos de campo para optimizarlo en un proceso interactivo. Se realizarán pruebas de vida útil aceleradas en bancos de pruebas para simular mecanismos de avería aislados e identificar patrones de desgaste característicos. Las interacciones mutuas se reflejarán en el modelo final cuando se combinen ambos modelos. El siguiente paso será permitir el uso de la técnica online y validar el modelo en la aplicación práctica. Al mismo tiempo, la nueva herramienta de predicción se integrará en el proceso de mantenimiento y se podrá evaluar su eficiencia de costes.

El enfoque presenta un gran potencial:

• En Alemania, la sola supresión de las bombas redundantes en la industria química reduciría los costes de inversión anuales un 9%, lo que equivaldría a un ahorro de 500 millones de euros.

• Las averías se reducirían un 25%. Esto supondría un ahorro de más de 16 millones de euros sólo en las 100.000 bombas que están instaladas dentro del amplio ámbito de trabajo del grupo ReMain (y esta cifra ni siquiera incluye el coste del tiempo de interrupción de la producción).

• Se evitarían los daños medioambientales derivados de la limpieza, eliminación y los contaminantes que se emiten cuando se producen averías.

Un RCI anualizado hasta el 50%

La Agencia Alemana de Energía (Dena) y la Asociación Bombas + Sistemas de la VDMA (Federación de ingeniería alemana) están llevando a cabo una campaña sobre eficiencia energética industrial que ofrece servicios de análisis en las propias plantas a las empresas que quieren recibir asesoramiento externo. Más de 50 empresas, incluidos los productores del sector químico y farmacéutico, han mejorado la eficiencia energética de sus sistemas de bombeo gracias al asesoramiento en profundidad prestado por consultores expertos. En algunos casos, los resultados han sido verdaderamente sorprendentes.

El RCI (rendimiento del capital invertido) anualizado de los sistemas de bombeo energéticamente eficientes ha llegado a alcanzar hasta el 50%. Esta espectacular cifra se ha logrado en el transcurso de la iniciativa EnergyEfficiency emprendida por las empresas europeas E.ON Energie AG, EnBW AG, RWE Energy AG y Vattenfall Europe AG.

Un ejemplo de los proyectos de consultoría que ya han concluido es el análisis realizado en una planta de Unilever en Mannheim, Alemania, dedicada a la producción de jabones. La mayor parte de las aproximadamente 200 bombas del centro se emplean como bombas de proceso y circulación. Los consultores sobre energía se centraron en la optimización de las bombas de circulación y procesamiento del agua y en los sistemas de refrigeración.

Los resultados evidenciaron que el control de caudal de todas las bombas se realizaba mediante válvulas de mariposa en la zona de descarga. Dada la curva característica de las bombas, su funcionamiento era poco eficiente y consumía mucha energía. Además, las bombas funcionaban en su nivel de potencia nominal o por encima de este, y esto tenía repercusiones negativas sobre su vida útil.

Los consultores identificaron una oportunidad de reducción del consumo de 925.000 kWh (una disminución del 37% en comparación con el consumo real previo al estudio), equivalente a un ahorro anual de 74.000 euros. Para lograr este ahorro, Unilever tendrá que realizar una inversión de 295.000 euros. El período de amortización de este desembolso será de 4 años (RCI anualizado: 21,4%).

Unilever es otro ejemplo de cómo la tecnología de control del caudal convencional, basada en válvulas de mariposa o conductos de derivación, se sigue empleando en muchos de los sistemas existentes y puede generar pérdidas de energía muy elevadas. Así, no es de extrañar que un sistema de bombeo con control de válvula funcione a un 90% de su potencia máxima para producir el 60% del caudal nominal. En cambio, el consumo de electricidad de una bomba con control de velocidad se reduce a menos del 30% de su potencia máxima para mantener el mismo caudal (60% de la capacidad nominal).

Un control de bajo consumo energético también aumenta la vida útil de la bomba. La disminución de la velocidad con carga parcial reduce el desgaste de los componentes mecánicos (ejes, cojinetes y juntas). Además, las acciones de arranque y parada son menos bruscas en los sistemas con conversores de frecuencia. Esto hace que el conjunto de la transmisión sufra menos tensiones y que se reduzca la carga mecánica del sistema de bombeo. Los componentes con un elevado índice de desgaste deben cambiarse con menos frecuencia y los intervalos de las operaciones de mantenimiento son más largos en los sistemas de bombeo que han sido optimizados al objeto de reducir el consumo de energía. El resultado final es un menor coste energético y un ahorro en el mantenimiento para los usuarios.

Los resultados de los estudios de los consultores revelan que empresas de cualquier tamaño y pertenecientes a cualquier sector pueden aumentar su eficiencia energética.

Las tecnologías emergentes plantean nuevos retos a los fabricantes de compresores


El sector de los compresores se enfrenta a varios retos nuevos en el campo de la ingeniería de aplicación. Por ejemplo, aún existen dudas en torno al uso de compresores para separar el CO2 en las centrales eléctricas que utilizan combustibles fósiles. Los compresores y las bombas de vacío también desempeñan un papel cada vez más importante en la explotación de la energía regenerativa. La fermentación del biogás (natural), que produce dióxido de carbono, agua y sulfuro de hidrógeno, plantea distintos problemas. Concretamente, el sulfuro de hidrógeno en el biogás incrementa el desgaste del compresor. Al igual que con las bombas, la eficiencia de costes y energía durante el funcionamiento cotidiano son uno de los principales problemas de los sistemas de aire comprimido, y los usuarios aún pueden ahorrar mucho dinero. Los expertos afirman que el mejor modo de reducir el coste del aire comprimido radica en la instalación de compresores con control de velocidad junto con sistemas de gestión de aire comprimido que controlen múltiples compresores basándose en parámetros de ahorro de energía predefinidos. Casi todos los grandes proveedores de compresores incluyen este tipo de sistemas en su cartera de productos.

La reducción del índice de fugas también constituye otra oportunidad de reducir el consumo energético en los sistemas de aire comprimido. El control de las condiciones en las redes de aire comprimido y los nuevos tipos de sensores pueden ayudar a reducir los problemas de fugas al mínimo. Otra opción es reducir la presión en la red y eliminar las reservas innecesarias.

La lista de productos destacados incluye compresores helicoidales que consumen menos energía y proporcionan un volumen de aire superior, y nuevos compresores con refrigeración por aire (que es hasta un 60% más barata que la refrigeración por agua).

Las ventajas indiscutibles de los compresores alternativos (alta eficiencia en una gran variedad de condiciones de funcionamiento, características de control relativamente buenas, y un largo etcétera) han dado lugar al renacimiento de estas máquinas.

EFF1, EFF2, EFF3

Los motores eléctricos cuentan con un sistema similar al de las categorías de eficiencia europeas que ayudan a los consumidores a elegir sus electrodomésticos. Los motores se clasifican en tres categorías de eficiencia (EFF1, EFF2 y EFF3). EFF1 es la categoría de eficiencia más alta, y la UE promueve el uso de los motores que se ajustan a ella.

El Instituto Alemán del Cobre estudió las cifras con un ejemplo típico: un motor de 4 polos y 30 kW que impulsa una bomba de refrigeración de agua a plena carga durante 8.000 horas al año. Con un coste de la electricidad de 8 céntimos/kWh, la eficiencia del motor de gama alta y el de gama estándar es del 93,2% y el 91,4% respectivamente. Puede que esto no parezca gran cosa, pero el ahorro de costes anual asciende a 8.000 * 30 * 100 % * 0,08 * (1/91,4 - 1/93,2) = 405 euros. Teniendo en cuenta que el motor EFF1 cuesta 1.650 euros, y el de gama estándar vale 1.300 euros, su período de amortización es de tan sólo 9,5 meses. El motor de alta eficiencia compensa su precio en un plazo muy corto.

Estos motores cuentan con un atractivo añadido: su bajo nivel de emisiones de ruido. El ventilador es la principal fuente de ruido de los motores (y, en consecuencia, es responsable de la mayor parte del ruido que genera la bomba). Dada su elevada eficiencia y escasa pérdida de calor, los motores EFF1 no necesitan tanta refrigeración. Normalmente los ventiladores más pequeños y silenciosos son suficientes para ellos. La menor disipación del calor también reduce la tensión sobre el hilo aislado del devanado estatórico, aumentando su vida útil. Las temperaturas de funcionamiento más bajas también alargan la vida útil de los cojinetes del motor (la vida útil de la lubricación de los cojinetes depende en buena medida de la temperatura). Como puede ver, el aumento de la eficiencia energética también mejora la disponibilidad del sistema de la bomba y el compresor.

El lucrativo mercado de los 'vacíos'

La tecnología del vacío se utiliza en un amplio conjunto de industrias. La gama de aplicaciones incluye envasado, secado, aspirado y posicionamiento. Una gran cantidad de procesos industriales se llevan a cabo en un vacío, ya que la baja presión ofrece muchas ventajas a los productores que manipulan productos sensibles a las temperaturas. En una columna de vacío incluso se pueden separar mezclas azeotrópicas.

La tecnología de vacío se clasifica en cuatro categorías de presión:

  • vacío bajo: entre 103 y 1 mbar (por ejemplo, envases al vacío)
  • vacío medio: entre 1 y 10–3 mbar (por ejemplo, acabados decorativos)
  • vacío alto: entre 10–3 y 10–7 mbar (por ejemplo, sistemas solares de capa delgada y equipos de análisis medioambiental)
  • vacío ultra alto: entre 10–7 y 10–12 mbar (por ejemplo, simulación espacial o investigación científica)

El principal mercado para la tecnología de vacío es la industria de los semiconductores, que representa aproximadamente el 40% del volumen de mercado total. Los chips se fabrican en un nivel de vacío alto (entre 10-3 y 10-7). El proceso de impurificación requiere una atmósfera pura para obtener resultados excelentes.

La industria solar constituye un mercado relativamente nuevo. El actual auge del sector está impulsando la demanda de obleas, que son el material de base para la producción de módulos. La tecnología de acabado y revestimiento superficial cuenta con una cuota del mercado del vacío de casi el 9%.

La producción de 'vacíos' sigue siendo un negocio atractivo. En la actualidad, el valor del volumen de componentes de vacío en todo el mundo asciende a aproximadamente 4.500 millones de dólares estadounidenses, y el mercado sigue creciendo todos los años. Asia representa aproximadamente el 50% del volumen del mercado.

Accesorios: seguridad funcional (Safety Integrity Levels o SIL)

La dinámica de fluidos computacional como herramienta de aceleración e integración del diseño de instalaciones, la incorporación de todos los componentes de la planta en sistemas de control y regulación automáticos, la elección de componentes en función del coste a lo largo de su ciclo de vida: las tendencias en la ingeniería de las plantas no han dejado indiferente al sector de los accesorios, donde han exigido un mayor esfuerzo a los planificadores y responsables dado el gran número de parámetros (como por ejemplo los costes a lo largo del ciclo de vida) que dependen de la aplicación de los accesorios en el contexto global de la planta.

Algo parecido ocurre con los polémicos estándares de seguridad de los accesorios. IEC/DIN EN 61508 (seguridad funcional de los sistemas de seguridad eléctricos/electrónicos/programables) es la principal normativa internacional sobre sistemas de seguridad. Este estándar de “seguridad funcional” define cuatro niveles de rendimiento denominados Safety Integrity Levels (SIL 1-4). A cada equipo se asigna un nivel SIL (por ejemplo, sensores, controladores, etc.) en función de los criterios establecidos por el estándar.

Los fabricantes de equipos llevan cierto tiempo batallando por este tema. Productores, usuarios y “organismos notificados” siguen teniendo algunas dudas acerca de la pertinencia de este sistema de seguridad internacional para los accesorios y sus sistemas de accionamiento. Dado que el índice de averías depende en buena medida de la aplicación concreta, no basta con determinar los indicadores de rendimiento clave característicos para el equipo de forma aislada. Las dudas sobre la aplicación el estándar a los accesorios y sus sistemas de accionamiento hicieron que la Asociación Comercial de Accesorios de la VDMA publicara en noviembre de 2008 unas directrices sobre su cumplimiento. Además de aclarar el ámbito de aplicación de DIN EN 61508, estas directrices incluyen consejos sobre cómo determinar los indicadores de rendimiento clave característicos de los accesorios.

Resumen: la constante subida de los precios de la energía ha hecho que la instalación de motores y controles de accionamiento electrónicos de última generación en toda la gama de equipos giratorios (bombas, compresores, ventiladores, etc.) sea una inversión con un importante rendimiento. Los usuarios de estos dispositivos están muy interesados en los sistemas de detección precoz de averías y en los sistemas predictivos que ofrecen información sobre la vida útil restante de los componentes.

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