Progettazione di sistemi di pompaggio efficienti ed efficaci

Progettazione di sistemi di pompaggio efficienti ed efficaci

Guardando tutte le opzioni può aiutare a risparmiare energia e denaro per i vostri clienti.

Di Ed Butts, PE

La progettazione di un sistema di pompaggio efficiente va ben oltre l’abbinamento della pompa più efficiente alle condizioni di servizio o di testa del sistema o l’utilizzo di un azionamento a frequenza variabile o di una valvola di controllo per esigenze variabili.

Questi sono solo i punti di partenza. Nel mondo di oggi, la miriade di apparecchiature meccaniche ed elettriche a disposizione del progettista e dell’installatore, combinata con regole e linee guida di progettazione consolidate e allo stesso tempo nuove, rende la progettazione di un sistema di pompaggio efficiente ed efficace due degli elementi più importanti di un impianto di pompaggio.

Questo mese, esaminiamo le idee passate di buona pompa o progettazione stazione di pompaggio insieme ai criteri attuali che cambiano le regole che i progettisti dovrebbero prendere in considerazione per praticamente tutte le applicazioni di pompaggio.

Definizione di un sistema efficiente ed efficace

Efficienza: quella singola parola ha significati diversi per persone diverse, ma mai la parola ha avuto più validità e valore che nel mondo di oggi con costi energetici sempre crescenti.

Per il tipico venditore, efficienza significa convincere il loro prodotto consegnerà più di qualcosa per meno dei vostri soldi. Per gli ingegneri, efficienza significa produrre un certo tipo di risultato finale, che si tratti di lavoro o di un prodotto con il minimo sforzo e quindi costo.

L’efficienza è fondamentalmente la differenza tra un risultato teorico e il risultato effettivo di un compito, uno sforzo o un processo. Nel settore dei pozzi d’acqua, l’efficienza di solito si applica all’efficienza elettrica, meccanica o chimica—e ci sono modi per migliorare ogni tipo.

Insieme all’efficienza, i progettisti di sistemi idrici devono garantire che il loro design sia efficace. Ciò significa semplicemente che il sistema di pompaggio non deve solo fornire acqua in modo efficiente, ma al flusso e alla pressione appropriati—in altre parole, in modo efficace.

Per un sistema di pompaggio, la sua efficacia inizia sempre con la determinazione della velocità o del volume di acqua necessario per erogare in un periodo di tempo predeterminato. Questo può essere su un periodo di 24 ore per la domanda giornaliera media di un sistema idrico o solo 20 minuti per la domanda di picco.

Ovviamente offre pochi vantaggi, e ancora meno comfort, se si deve informare il cliente il loro nuovo sistema di pompaggio offre 750 GPM alla massima efficienza possibile quando hanno bisogno di 1000 GPM. O il loro sistema di irrigazione è in grado di applicare 2 pollici di acqua su 50 acri in 12 ore quando il cliente ha richiesto un sistema in grado di fornire 1,75 pollici di acqua su 90 acri in otto ore.

Cosa significa realmente efficienza?

Il dizionario definisce efficiente come ” agire per produrre un effetto con un minimo di spreco o sforzo, o esibendo un elevato rapporto di output / input.”Entrambe le parti di questa definizione si applicano ovviamente all’industria dei pozzi d’acqua anche se ogni parte ha un’applicazione diversa.

anche se il nostro obiettivo nella progettazione e nell’applicazione è quello di sviluppare un sistema con il più alto livello di efficienza operativa e in molti casi abbiamo ottenuto questi miglioramenti su molti livelli, è importante ricordare che ci sarà sempre una certa perdita di efficienza in qualsiasi processo o di sforzo, a prescindere di qualsiasi miglioramento, razionalizzazione, o avanzati per il disegno che abbiamo posto nel sistema.

Molti degli aumenti di efficienza di una determinata macchina o processo possono essere direttamente correlati alla domanda dei clienti o all’intervento e alla regolamentazione del governo.

Ad esempio, a causa della sollecitazione da parte dell’azione del Congresso che porta a nuovi standard, i codici statunitensi rivisti relativi all’energia stabiliscono requisiti minimi per la progettazione e la costruzione efficienti dal punto di vista energetico per edifici nuovi e ristrutturati, con un impatto sull’uso di energia e sulle emissioni per la vita dell’edificio. Ciò è particolarmente importante poiché gli edifici rappresentano quasi il 40% dell’attuale uso di energia negli Stati Uniti, il 65% del consumo di elettricità e poco più del 10% dell’uso di acqua.

Con gli edifici una delle principali fonti di utilizzo energetico negli Stati Uniti, è imperativo edifici rispettare questi nuovi codici per garantire che soddisfino gli standard di maggiore efficienza. L’utilizzo di metodi e materiali più efficienti in precedenza durante la costruzione di un edificio costerà una frazione di quello che faranno in seguito se è necessario un retrofit per ridurre il consumo totale di energia durante la vita dell’edificio.

Esistono nuovi codici energetici per edifici sia commerciali che residenziali, nonché altri tipi di utilizzo energetico.

Riconoscendo che i motori elettrici rappresentano il più grande gruppo di energia elettrica a consumo singolo, sono state adottate nuove normative—inclusi interessanti programmi di sconti—per l’adattamento e la sostituzione di motori meno efficienti più vecchi con motori più nuovi e più efficienti. Questi nuovi motori possono avere un’applicazione diretta sulle applicazioni della pompa del pozzo e della pompa booster.

Oltre ai miglioramenti che possiamo apportare con i motori elettrici più recenti, ci sono altri miglioramenti di sistema o componenti apparentemente minori che possiamo apportare. Questi miglioramenti, in molti casi, possono sembrare così piccoli da essere insignificanti o privi di significato. Ma quando presi in considerazione nel corso della vita dell’unità o ore di funzionamento annuali, possono facilmente aggiungere fino a un risparmio sui costi energetici ben oltre il costo iniziale dell’investimento stesso.

Sebbene il miglioramento dell’efficienza di un sistema o di un impianto di pompaggio sia solitamente legato direttamente al risparmio di energia elettrica, esistono vari metodi periferici che possono anche risparmiare energia e quindi aumentare l’efficienza. Questi metodi sono i seguenti.

Metodi operativi o di sistema

• Selezionare gli impianti di pompaggio da utilizzare nei periodi non di picco o di perdita di carico quando possibile. Questi periodi, di solito nelle prime ore del mattino o in tarda serata, possono fornire costi di consumo energetico inferiori rispetto a qualsiasi altro momento della giornata. Nelle applicazioni di riempimento del serbatoio, ciò può consentire il riempimento del serbatoio durante un periodo con un consumo relativamente basso e quindi la testa di scarico.
• L’utilizzo di una valvola di limitazione in linea, nella maggior parte dei casi, è vantaggioso per lo spargimento di acqua. Sebbene l’uso di questo processo debba essere verificato per l’unità di pompaggio e il sistema specifici coinvolti, una valvola di limitazione in linea sullo scarico di una pompa a una portata ridotta di solito fornisce un maggiore risparmio energetico rispetto al ricircolo dell’acqua alla fonte o altrimenti sprecare l’acqua—oltre a conservare questa preziosa risorsa. Non utilizzare mai una valvola di limitazione sul lato di aspirazione di una pompa.
• Utilizzare sempre manometri e misuratori di portata di alta qualità e precisi per il monitoraggio dei dati. Anche se questo può sembrare un gioco da ragazzi, lo sviluppo e il mantenimento di un processo di raccolta dati accurato ed efficace richiede non solo dati accurati, ma dati costantemente accurati. Variazioni o inesattezze nel metodo di raccolta dei dati possono facilmente portare a ipotesi e decisioni sbagliate.
• Considerare e tenere conto delle perdite di energia non di pompaggio. Ancora una volta, molte volte le perdite di energia associate a funzioni non vitali e non correlate-come i trasformatori di illuminazione, riscaldamento, raffreddamento o utilizzo all’interno di una stazione di pompaggio—possono sembrare minori o insignificanti. Ma come queste perdite monte, come per l’illuminazione continua o riscaldamento, le perdite di energia possono diventare estreme e distorcere altri costi energetici per scopi di pompaggio.

Migliorare l’efficienza della pompa

• L’uso di componenti della pompa a basso attrito idraulico come bronzo, porcellana e acciaio inossidabile causerà una minore resistenza all’interno della pompa stessa e quindi minori costi di pompaggio. Specificare un C-10/C-20 / C-30 lucido finito sui passaggi della girante.
• Trucchi poco conosciuti per giranti o volute, come sotto o riempimento di palette, taglio della linguetta della voluta, bilanciamento dinamico, smussatura del bordo esterno della girante e lucidatura della girante possono aumentare l’efficienza di uno o due punti, risparmiando potenza.
• Selezionare la pompa per funzionare il più vicino possibile al punto di efficienza migliore (BEP) o entro la finestra di efficienza migliore (BEW) in ogni momento.
• Migliorare le tubazioni utilizzando tubazioni di aspirazione e scarico più grandi del necessario. L’eliminazione di tee, ells e tubazioni limitate ove possibile e la modifica o l’utilizzo di materiali di tubazioni con i fattori di attrito più bassi, come il PVC o il ferro duttile rivestito di cemento sull’acciaio, possono anche beneficiare di un sistema.
• Anche la modifica di un controllo, isolamento, o valvola di ritegno sulla linea di scarico della pompa può pagare dividendi a lungo termine. A seconda delle dimensioni della valvola, della portata e del dovere, la modifica di uno stile globo standard di valvola di controllo in linea con un tipo di valvola di controllo angolare o wye può risparmiare fino a 2-4 psi o fino a 10 piedi di perdita della testa durante il funzionamento. Per una valvola utilizzata rigorosamente per l’isolamento della stazione, utilizzando un tipo di valvola a porta completamente aperta (come una valvola a saracinesca resiliente) piuttosto che una valvola con un’ostruzione in linea (come una spina sfoderata o una valvola a farfalla) può anche abbassare la perdita di testa attraverso la valvola.
• L’uso di un rivestimento ad alte prestazioni su una girante o una voluta o in tutto un gruppo di vasche può fornire un minore attrito del disco alle giranti, con conseguente risparmio energetico. Un rivestimento come Scotchkote 134 (SK134) fusion bonded epoxy può costare tra $500-8 800 per fase da applicare, ma può aumentare l’efficienza di ben due o quattro punti. Su un’unità di pompaggio progettata per 1000 GPM a 300 piedi TDH, questo può comportare un risparmio di potenza fino a quattro cavalli freno. A 4000 ore all’anno di funzionamento, questo può comportare un risparmio energetico di oltre $1200 nel solo primo anno.
• Durante la progettazione di unità di pompaggio di pozzi profondi nuove o sostitutive, considerare la differenza relativa nell’efficienza della vasca e del motore e nella durata di servizio tra unità sommergibili e turbine verticali. Sebbene l’investimento di capitale di un sistema di pompaggio sommergibile sarà quasi sempre inferiore a un’unità di turbina verticale di dimensioni comparabili, l’efficienza combinata della vasca e del motore sarà spesso fino a 10-15 punti più alta per l’unità di turbina verticale. Ad esempio, con un impianto di pompaggio progettato per 1000 GPM a 300 piedi TDH, la differenza nei costi di pompaggio orari può ammontare a $1.30 all’ora o $5200 per un periodo operativo di 4000 ore (50%). Inoltre, la durata di una turbina verticale è spesso maggiore di un sommergibile a causa della minore velocità, del calore del motore e dell’accessibilità. Ovviamente, questi rapporti non sempre si applicano, quindi il progettista deve valutare questi fattori caso per caso.
• Per le pompe a turbina verticale, controllare l’impostazione della vasca almeno una volta all’anno per ottimizzare le prestazioni. Per le giranti semiaperte, utilizzare un amplificatore o un misuratore di potenza per ottimizzare la regolazione della vasca.

Motori e driver elettrici

• Per motori: Aumentare le dimensioni dei fili, ottimizzare le tensioni, migliorare il fattore di potenza con i condensatori, utilizzare motori di alta efficienza, fornire un ambiente operativo pulito e fresco e ridurre la potenza di un motore per un dato carico può aumentare l’efficienza di un impianto di pompaggio di ben il 5% attraverso le sole modifiche elettriche.
• Per tutti i driver (compresi gli azionamenti a ingranaggi): sostituire l’olio e aggiungere/sostituire il grasso alle frequenze e agli intervalli raccomandati dal produttore. Utilizzare olio e grasso peso e viscosità in base alle linee guida del produttore. Non riempire eccessivamente i serbatoi di olio e mantenere i livelli di olio tra livelli bassi e alti durante il funzionamento. Per azionamenti ad ingranaggi raffreddati ad acqua e motori raffreddati a camicia d’acqua: verificare il funzionamento e la portata minima per il circuito di raffreddamento ad acqua. Controllare la temperatura di funzionamento dell’ingranaggio / motore per verificare che l’olio si raffreddi ai livelli prescritti.
• Per i motori in standby: eseguire almeno l’esercizio di routine e le prove operative annuali. Indipendentemente dalle ore operative, sostituire l’olio una volta all’anno al minimo. Ruotare o altrimenti utilizzare combustibile immagazzinato per mantenere la qualità. Se necessario, utilizzare gasolio con qualità anti-ceretta o additivo per evitare la ceretta su lunghi intervalli di conservazione. Verificare la prontezza del motore con il corretto funzionamento del caricabatterie di mantenimento della batteria, del riscaldatore del rivestimento, del preriscaldamento e delle candelette (se applicabile). Per i motori principali: sostituire l’olio e le candele (gas) negli orari di funzionamento consigliati dal produttore; utilizzare il servizio pesante come linea guida. Condurre la compressione e la temporizzazione ogni due anni per verificare la funzione uniforme del cilindro.
• Per trasmissioni: controllare l’allineamento e ingrassare i giunti a U ad intervalli consigliati dal produttore. Per trasmissioni a cinghia: Verificare la tensione della cinghia e l’applicazione uniforme della cinghia almeno una volta all’anno. Considerare la sostituzione di più cinghie trapezoidali con una singola serpentina o cinghia dentata.

Azionamenti a frequenza variabile e valvole di controllo

Azionamenti a velocità variabile o frequenza (VFDs) così come valvole modulanti pressione sono rapidamente diventati un metodo favorito per il risparmio energetico e migliorare l’efficienza del sistema. Tuttavia, non sono privi di inconvenienti e limitazioni, quindi il progettista deve impiegare e considerare caratteristiche specifiche per fornire la massima efficienza possibile e prolungare la vita del sistema di pompaggio. Questi includono quanto segue:

• Come con la maggior parte dei dispositivi elettronici, i VFD non si preoccupano del calore. Non solo soffrirà la vita dell’unità ma anche l’efficienza operativa. Per questi motivi, è necessario osservare una corretta ventilazione e raffreddamento.
• Quando si utilizza con motori sommergibili o altri motori con un lungo cavo tra il motore e l’azionamento (più di 50 piedi), si può verificare una condizione nota come tensione dell’onda riflessa. Ciò significa semplicemente che l’azionamento può essere esposto a un livello restituito di tensione rimbalzato dal motore in valori centinaia di volte superiori rispetto all’isolamento del motore. Vari dispositivi di protezione, come i raddrizzatori, vengono utilizzati per annullare queste condizioni e dovrebbero essere implementati su tutte le installazioni con offset di cavi lunghi.
• Quando si dimensiona un VFD, considerare l’amperaggio effettivo con cui l’unità dovrà operare, non solo la potenza. Poiché un motore sommergibile attirerà corrente superiore rispetto a un motore standard di potenza comparabile, dimensionamento per potenza non può fornire una capacità di riserva adeguata per la corrente superiore. In molti casi, aumentare la dimensione dell’unità di uno può proteggere da questo potenziale. Questo è un problema comune nelle installazioni di retrofit.
• Tipi specifici di installazioni, come quelle su albero cavo verticale o motori orizzontali standard, possono causare loop di massa o arco di tensioni imposte all’interno dei cuscinetti. Esistono vari metodi per proteggere da questo evento, ma il metodo più affidabile comporta una messa a terra e un legame efficaci e completi dell’azionamento e del motore.
• Per applicazioni VFD nuove o retrofit, verificare che la riduzione della velocità coincida con la curva della pompa selezionata e che il risparmio energetico si applichi a velocità ridotte. Le curve ripide della pompa sono generalmente più garantite e favorevoli se utilizzate con VFDs rispetto all’uso di valvole di controllo della pressione in linea. Un più alto grado di risparmio energetico a portate ridotte si verifica di solito quando una valvola di controllo della pressione in linea viene applicata a una pompa con una curva piatta, poiché la potenza tende a scendere su un calo commisurato della portata.

Utilizzo del software di progettazione della pompa

Poiché le tecniche di modellazione al computer continuano a migliorare e lavorare nella nostra vita quotidiana, aumenta anche la necessità di considerare l’uso di programmi di selezione della pompa. Con il mio conteggio, ci sono attualmente cinque scelte generiche del software di selezione della pompa e innumerevoli programmi di selezione del produttore.

Anche se sono sempre stato un veterano tagliato e asciugato quando si tratta di selezionare una pompa dai cataloghi e utilizzando le curve del produttore, il mio uso dei programmi di selezione è aumentato notevolmente negli ultimi dieci anni, specialmente ora che sto progettando più sistemi di pompaggio con flusso variabile e condizioni di testa.

Pur non intendendo fare pubblicità, sono abbastanza soddisfatto e lavoro con il software PumpFlo sviluppato da Engineered Software Inc. Ho iniziato con la versione I anni fa e ora lavoro con la versione X e sono soddisfatto del modo in cui questo software consente la selezione di varie pompe inserendo le condizioni di progettazione della capacità e della testa o facendo riferimento direttamente a un modello di pompa specifico.

Anche se so che ci sono molti altri programmi software di selezione pompa eccellente disponibili, io sono uno dei dinosauri che preferisce attaccare con qualcosa quando funziona per me (questo è lo stesso motivo per cui sono stato sposato per 40 anni!).

Oltre ai programmi che consentono il confronto di pompe di diversi produttori, praticamente tutti i produttori di pompe hanno ora un proprio programma di selezione o fanno parte di un software di selezione della pompa come PumpFlo, PumpCALC o PumpBase. La maggior parte dei programmi di selezione consentono la valutazione multi-velocità, efficienza e potenza confronto, limitazioni della curva della pompa, e le selezioni con diversi trim e stadi insieme con le opportune modifiche in efficienza e potenza disegnare, ognuno un parametro critico nella corretta progettazione di un sistema di pompaggio dell’acqua.

Questo tipo di funzionalità non solo accelera la selezione di una pompa del pozzo, ma aiuta anche con precisione e confronto di diversi modelli e marche, oltre alle stampe e alle curve generate al computer un aspetto migliore rispetto al tipo I una volta prodotto a mano. Sebbene l’uso di un software di selezione della pompa non sia probabilmente efficiente e necessario con le pompe per pozzi domestiche, raccomando vivamente l’uso di questa tecnologia per pompe sommerse e verticali e pompe booster.

Unità o componente vs. Efficienza del sistema

Poiché la parola d’ordine dell’efficienza continua a insinuarsi nella nostra vita lavorativa quotidiana con sempre più frequenza, dobbiamo riconoscere come progettisti di sistemi idrici l’importanza di spremere più lavoro per meno energia come un modo non solo per risparmiare importanti costi operativi ai nostri clienti, ma anche per conservare le limitate risorse naturali del nostro mondo.

Uno dei tanti modi in cui possiamo aiutare in questo sforzo è valutare e migliorare sia l’efficienza del sistema che quella dei componenti.

L’efficienza del sistema è il contributo più evidente e evidente all’efficienza complessiva e ai costi operativi, e quello di cui siamo generalmente più preoccupati. Nei sistemi idrici vernacolare, è comunemente indicato come il filo-acqua o l’efficienza dell’impianto di pompaggio. È l’efficienza netta, costituita dalle singole perdite all’interno dell’intero sistema che, insieme, creano l’efficienza finale dell’impianto.

D’altra parte, l’efficienza dell’unità, nota anche come efficienza dei componenti, è l’efficienza relativa di un elemento specifico o individuale all’interno del sistema raggruppato più grande. Potrebbe essere la pompa, il driver o l’efficienza della trasmissione, o anche l’efficienza di un singolo componente all’interno dell’unità complessiva, come le perdite idrauliche interne all’interno di una girante o l’attrito del cuscinetto per uno stadio in una pompa a turbina verticale multistadio che sono ciascuna parte separata dell’efficienza complessiva della vasca.

Molte persone pensano che l’efficienza del sistema sia l’unico fattore importante, ma non sono d’accordo. In molti casi, l’utilizzo di miglioramenti incrementali nell’efficienza dell’unità o del componente può essere molto più conveniente rispetto alle modifiche all’ingrosso dell’intero sistema. Questo è il motivo per cui uso metodi a basso costo ma efficaci come il riempimento della girante, la lucidatura o i rivestimenti delle ciotole come modi per aumentare l’efficienza della pompa.

Ecco un altro esempio: La conversione a un’efficienza premium da 100 CV e 1800 giri / min da un motore elettrico ad efficienza standard aumenterà l’efficienza a pieno carico da circa il 93% al 94,5%. A pieno carico, questo miglioramento incrementale conserverà fino a 1,27 kW, che se moltiplicato per 3000 ore di funzionamento all’anno si tradurrà in un risparmio energetico di 3820 kW/ora. A $0,15 per kW/ora., questo è un potenziale risparmio nei costi operativi di $573 all’anno.

Questo tipo di risparmio è possibile anche con retrofit ciotola dove un miglioramento da un’efficienza ciotola del 75% fino a 83% ad un carico di 50 CV (potenza frenante) può risparmiare fino a 6,42 CV.

Anche quando si dimostrano questi risparmi energetici comprovati, in molti casi—in particolare quelli nelle impostazioni di irrigazione—i clienti sono spesso resistenti a investire il costo di una sostituzione o di un aggiornamento di un intero sistema rispetto a quello che potrebbero essere per la sostituzione di un componente. Testare e valutare l’efficienza individuale delle unità o dei componenti e quindi raccomandare la sostituzione o la riparazione di questi elementi specifici è spesso più favorevole al budget di un cliente rispetto a una sostituzione dell’intero sistema.

Continuerai a generare affari e vendite e avrai la soddisfazione di risparmiare probabilmente al cliente dei soldi veri alla fine.

Conclusione

Poiché i costi energetici continuano ad aumentare ogni anno, anche la necessità di considerare pienamente l’efficienza di ciascun elemento nei nostri sistemi di pompaggio continuerà a crescere. Lo scopo di questa colonna è quello di ricordare quanto sia importante l’efficienza è diventata nel nostro mondo. Ci sono modi per migliorarlo con un piccolo pensiero, preservando allo stesso tempo l’efficacia del sistema di pompaggio.

Considera tutte le possibilità, non importa quanto insignificanti possano sembrare, e potresti scoprire che potrebbero solo offrire alcuni dividendi reali per te e il tuo cliente.

Fino al mese prossimo, lavorare sicuro e intelligente.

Ed Butts, PE, è l’ingegnere capo presso 4B Engineering & Consulting, Salem, Oregon. Ha più di 40 anni di esperienza nel settore dei pozzi d’acqua, specializzata in ingegneria e gestione aziendale. Può essere raggiunto a [email protected].