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Optimización del flujo de aire en sistemas de captación de polvo, neblina y humo

Por Lori Lehner, responsable de formación técnica de Donaldson Torit

Amplíe la vida útil del filtro. Conserve la energía. Ahorre dinero.

La optimización del control del flujo de aire en el captador de polvo, neblina y humo ofrece beneficios importantes, tales como prolongar la vida útil del filtro, incrementar la conservación de la energía y un mayor ahorro general. Además, en muchas aplicaciones, el flujo de aire correcto es esencial para mantener la calidad. Demasiado flujo de aire en una soldadura de acero inoxidable puede alejar el gas protector de las soldaduras, lo que da como resultado sellados de baja calidad, mientras que un flujo de aire demasiado bajo puede exponer a los operarios a compuestos peligrosos como el cromo hexavalente.

En aplicaciones de procesamiento de materiales donde el polvo combustible puede ser una preocupación, el flujo de aire correcto es crucial, ya que un exceso de flujo de aire puede sacar un valioso producto del proceso y conducirlo al flujo de desperdicios, mientras que un flujo de aire escaso puede permitir que el polvo escape del proceso y aumente potencialmente los riesgos de polvos combustibles en la instalación.

A menudo, el impacto del flujo de aire en la vida útil del filtro se pasa por alto durante el funcionamiento, pero puede ser notable cuando los filtros se instalan por primera vez. A escala operativa, la baja resistencia a la presión inicial de los filtros nuevos puede aumentar el flujo a través del sistema, lo cual puede no se manifieste como un problema para la operación en sí, pero puede reducir drásticamente la vida útil de los filtros (por lo general, más de la mitad). Una estrategia de control de flujo de aire para mantener el flujo de aire de diseño prolongará la vida útil total de los filtros.

Los ahorros de energía y de costes generales varían según la estrategia de control del flujo de aire, que se describe en los siguientes textos.

La forma tradicional de controlar el flujo de aire es ajustar manualmente un regulador en la salida del ventilador del captador. Este puede ser un método eficaz de control del flujo de aire si se realiza correctamente y se ajusta con frecuencia, ya que las condiciones del sistema cambian con el tiempo. Por desgracia, no todos los operarios saben cómo ajustar un regulador en la salida y esto suele acortar la vida útil de los filtros en las plantas, afectar a la calidad del producto y suponer un mayor coste de limpieza y de operación como resultado.

Algunos de los enfoques alternativos para optimizar el control del flujo de aire son:

  • el uso de un regulador en la entrada del ventilador,
  • la modificación del ventilador reemplazando las poleas
  • y el uso de un sistema de control digital con transmisión de frecuencia variable (VFD).

A continuación enumeramos las ventajas y desventajas de cada opción:

Uso de un regulador en la entrada del ventilador

Un regulador en la entrada del ventilador ofrece ahorro energético, ya que consigue pregirar el aire en la entrada del ventilador para que este no trabaje en exceso. Esta opción ofrece algún ahorro en potencia y energía, con un coste de capital relativamente bajo. La desventaja de esta opción es que se necesitan ajustes manuales, ya que las condiciones del sistema cambian con el tiempo y existe un posible requisito de mantenimiento del regulador. 

Modificación del ventilador remplazando las poleas en el motor o en el ventilador

Otra opción para controlar el flujo de aire es modificar la velocidad de rotación del ventilador instalando nuevas poleas en el motor y/o ventilador. La velocidad de rotación más baja del ventilador reduce la potencia al freno, ahorrando costes operativos. Esta modificación puede ser rentable; sin embargo, no es fácil ajustar la velocidad del ventilador debido a una amplia variedad de condiciones. Además, por lo general, se necesita el uso continuo de un regulador para ajustar el flujo de aire, debido a que las condiciones del sistema cambian con el tiempo. 

La estrategia de cambiar poleas no es inusual, ya que, por lo general, se aplican factores conservadores durante el diseño del sistema para mantener las velocidades. La identificación y eliminación de estimaciones de diseño conservadoras pueden lograr un importante ahorro energético. Los diseñadores a menudo incluyen una o dos pulgadas adicionales de capacidad estática en un ventilador para resistencia inesperada en el diseño de los conductos. 

Un ejemplo de diseño conservador sería aquel que se suele implementar en la industria del grano, donde la mayoría de los diseños utilizan como mínimo 22,86 m/s de velocidad de transporte (4500 pies por minuto), debido a que la estática del sistema cambia constantemente (a causa de la acumulación de polvo en los filtros). Los operarios no pueden ajustar el regulador (suponiendo que haya alguno) con el fin de evitar la acumulación de polvo en el conducto, que es un polvo combustible y supone un riesgo importante. Los diseñadores de sistemas suelen usar velocidades convencionales, más altas de lo requerido para compensar las bajas inesperadas en el flujo de aire.

Uso de controles digitales con transmisión de frecuencia variable (VFD)

La forma más eficaz de optimizar el flujo de aire en un captador es mediante un sistema de control digital que use una transmisión de frecuencia variable (VFD).1 Con este método se pueden supervisar los parámetros del sistema, como la presión de velocidad en el conducto o la presión estática en la entrada del captador, los cuales pueden vincularse directamente con un parámetro operacional deseado, como el flujo volumétrico. El sistema de control digital con una VFD permite supervisar el estado en el que se encuentra el sistema y ajustar automáticamente el flujo de aire, ya que las condiciones en el sistema cambian con el tiempo.

El beneficio principal de una VDF con control digital es que mantiene automáticamente el flujo de aire de diseño aunque las condiciones del sistema cambien. Se establece el flujo de aire de diseño y un técnico establece la variable de control en el controlador digital durante el arranque del equipo. Esto elimina la necesidad de que posteriormente el operario deba ajustar de forma manual un regulador a medida que cambie las condiciones del sistema (por ejemplo, la pérdida de presión se incrementa conforme se acumula polvo en los filtros). El sistema de flujo de aire con una VFD de control digital ayuda a mantener una captura adecuada en los extractores, manteniendo una alta productividad, dejando el producto donde se supone que debe estar en el proceso y asegurando la calidad de aire en la zona de respiración del trabajador.  Este sistema además asegura una velocidad de transporte constante, lo que reduce la acumulación de material en los conductos, minimiza el mantenimiento de los mismos y los riesgos potenciales como incendios en los conductos. 

Un sistema de flujo de aire con una VFD con control digital también genera ahorro de energía similar al que genera un arranque suave en un motor al reducir las cargas de demanda máximas. Otro beneficio de la VFD con control digital es la reducción del ruido.  Al evitar el exceso de volumen de aire y la velocidad asociada se reduce considerablemente el ruido en comparación con el uso de un regulador en la salida. Un cliente que cuenta con un taller de pulverización térmica nos mencionó que después de instalar un captador de polvo con este tipo de sistema, el ruido se redujo tanto que pensó en reacondicionar todos sus captadores de polvo con VFD con control digital.

Una desventaja de los sistemas con una VFD controlada digitalmente ha sido siempre su coste de capital. Al considerar un sistema de control con VFD, busque descuentos en sitios como DSIRE™ (Base de Datos de Incentivos Estatales para Energías Renovables y Eficiencia) y empresas de electricidad y gas locales.  Estos incentivos a menudo pueden ser sustanciales, compensando gran parte del desembolso de capital de un sistema con VFD con control digital.  Es importante señalar que algunas organizaciones necesitan que la solicitud se envíe (e incluso se apruebe) antes de poder emitir una orden de compra para el equipo.

Como ejemplo, un ventilador dimensionado que ofrece 42 475 m³/h (25 000 cfm) a 10 pulgadas de presión estática de columna de agua (10″ wg) usará 49,8 BHP (caballos a freno) a 1853 revoluciones por minuto ( rpm).
Ahorro de energía mediante el sistema de control eléctrico y VFD

Un sistema VDF con control digital puede ahorrar energía al minimizar la velocidad (rpm) del ventilador para controlar el flujo de aire. Es una buena solución, ya que las leyes de ventiladores establecidas incluyen una relación cúbica entre la velocidad del ventilador y la potencia al freno o energía consumida por el ventilador.  La fórmula se muestra a la derecha.

El coste operativo anual de ese ventilador a 0,07 dólares por kilovatio-hora (kWh) con un funcionamiento de 24 h/7 días a la semana es de 17 000 dólares. (Se recomienda que revise en línea la tarifa de electricidad en su región).

Coste operativo anual = HP x 0,746 kW/HP x dólares/kWh x Horas/eficiencia del motor

Curvas de ventilador cortesía de New York Blower Company

Si la carga de presión estática del sistema marca 7 pulgadas en lugar de las 10″ wg que se necesitan cuando los filtros están llegando al final de su vida útil, la velocidad media del ventilador (utilizando un VFD) puede reducirse a 1680 rpm.  En este punto, el coste operativo anual sería menor.

Durante la mayor parte de la vida útil de los filtros, el ventilador costaría 12 500 $ con una diferencia de 4500 $ al año en ahorros. Esto equivale a 1500 dólares ahorrados por cada pulgada de presión estática no utilizada en el ventilador, y los ahorros se sumarán año tras año.

El mismo escenario con 0,20 dólares por kWh, generaría ahorros que ascenderían a 18 000 dólares por presión estática al año.

Incluso en una curva de ventilador que coincida exactamente con el flujo de aire del captador de polvo, incluirá una o dos pulgadas de presión estática adicional para cubrir imprevistos y cambios en el estado de los filtros. Con un sistema automático de mantenimiento del flujo de aire de diseño, el riesgo de acumulación de material en los conductos se reduce y se puede seleccionar una velocidad de transporte menos convencional.

Presión estática del sistema de diseño
Los ahorros se acumulan

Un sistema con un controlador de flujo de aire VFD tiene un alto coste inicial, pero la rentabilidad solo en ahorros de energía se logra en menos de dos años, sin contar los ahorros adicionales debido a una mayor vida útil de los filtros y mejor control del proceso. 

Formas para optimizar aún más el sistema y aprovechar el ahorro de energía:

  • Utilice medios filtrantes de alta calidad que permitan que el polvo se acumule en la superficie, en lugar de permanecer en el interior. Esto mejorará la limpieza, reducirá la pérdida de presión y prolongará la vida útil de los filtros. Recuerde que cada pulgada de presión estática cuesta dinero, y utilizar un medio que permita que se acumule polvo en la superficie a menudo puede ahorrar 1 o 2 pulgadas de presión estática de media en comparación con medios genéricos.
     
  • Haga las siguientes correcciones a su sistema para un mayor ahorro de energía:
    • Retire los codos innecesarios para enderezar los tramos de conductos.
    • Reemplace los codos que estén directamente delante del ventilador con una caja de entrada bien diseñada.
    • Remplace las conexiones en T con entradas derivadas clásicas de 30°, y rediseñe o reemplace los extractores que no sean eficientes o estén dañados.

Al optimizar el flujo de aire en el captador de polvo, humo o neblina, se demuestra que un controlador de flujo de aire con VFD es la opción más fiable, ya que permite prolongar la vida útil del filtro, conservar la energía y, por último, ahorrar dinero.

Podemos ayudarte a obtener la solución óptima para su aplicación.

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