projetando sistemas de bombeamento eficientes e eficazes

projetando sistemas de bombeamento eficientes e eficazes

olhando para todas as opções pode ajudá-lo a economizar energia e dinheiro para seus clientes.

por Ed Butts, PE

projetar um sistema de bombeamento eficiente vai muito além de combinar a bomba mais eficiente com as condições de trabalho ou da cabeça do sistema ou usando uma unidade de frequência variável ou válvula de controle para demandas variáveis.

estes são apenas os pontos de partida. No mundo de hoje, a miríade de equipamentos mecânicos e elétricos disponíveis para o projetista e instalador, combinada com regras e diretrizes de design bem estabelecidas e igualmente novas, torna o projeto de um sistema de bombeamento eficiente e eficaz dois dos elementos mais importantes de uma usina de bombeamento.

este mês, revisamos ideias anteriores de um bom projeto de bomba ou estação de bomba, juntamente com os critérios atuais de mudança de regras que os projetistas devem considerar para praticamente todas as aplicações de bombeamento.

definição de um sistema eficiente e eficaz

eficiência: essa única palavra tem significados diferentes para pessoas diferentes, mas nunca a palavra teve mais validade e valor do que no mundo de hoje, com custos de energia sempre crescentes.

para o vendedor típico, eficiência significa convencê-lo de que seu produto vai entregar mais de algo por menos do seu dinheiro. Para os engenheiros, eficiência significa produzir algum tipo de resultado final, se resulta em trabalho ou um produto com a menor quantidade de esforço e, portanto, custo.A eficiência é basicamente a diferença entre um resultado teórico e o resultado real de uma tarefa, esforço ou processo. No negócio de poços de água, a eficiência geralmente se aplica à eficiência elétrica, mecânica ou química—e existem maneiras de melhorar cada tipo.

juntamente com a eficiência, os projetistas do sistema de água devem garantir que seu design seja eficaz. Isso significa simplesmente que o sistema de bombeamento não deve apenas fornecer água de forma eficiente, mas no fluxo e pressão apropriados—em outras palavras, efetivamente.

para um sistema de bombeamento, sua eficácia sempre começa com a determinação da taxa ou volume de água necessário para fornecer durante um período de tempo predeterminado. Isso pode ser durante um período de 24 horas para a demanda média diária de um sistema de água ou apenas 20 minutos para o pico de demanda.

obviamente, oferece pouco benefício e ainda menos conforto, se você deve informar ao seu cliente que seu novo sistema de bomba oferece 750 GPM com a maior eficiência possível quando eles precisam de 1000 GPM. Ou seu sistema de irrigação é capaz de aplicar 2 polegadas de água sobre 50 acres em 12 horas quando o cliente solicitou um sistema que poderia entregar 1,75 polegadas de água sobre 90 acres em oito horas.

O Que A Eficiência Realmente Significa?

o dicionário define eficiente como ” agindo para produzir um efeito com um mínimo de desperdício ou esforço, ou exibindo uma alta proporção de saída para entrada.”Ambas as partes desta definição obviamente se aplicam à indústria de poços de água, embora cada parte tenha uma aplicação diferente.

Embora o nosso objetivo no projeto e a aplicação está a desenvolver um sistema com o mais alto nível de eficiência operacional—e, em muitos casos, temos conseguido essas melhorias em muitos níveis—é importante lembrar que sempre haverá alguma perda de eficiência em qualquer processo ou esforço, independentemente de quaisquer melhoramentos, racionalização, ou avançado design de colocar no sistema.

muitos dos aumentos na eficiência de uma determinada máquina ou processo podem ser diretamente correlacionados à demanda do cliente ou à intervenção e regulamentação do governo.Por exemplo, devido à ação do Congresso levando a novos padrões, os códigos revisados dos EUA relacionados à energia estabelecem requisitos mínimos para projeto e construção com eficiência energética para edifícios novos e renovados-impactando o uso de energia e as emissões para a vida útil do edifício. Isso é especialmente importante, pois os edifícios representam quase 40% do uso atual de energia nos EUA, 65% do consumo de eletricidade e um pouco mais de 10% do uso de água.

com edifícios uma principal fonte de uso de energia nos Estados Unidos, é imperativo que os edifícios cumpram esses novos códigos para garantir que atendam ao padrão de eficiência mais alto. Usar métodos e materiais mais eficientes mais cedo ao construir um edifício custará uma fração do que custará mais tarde se um retrofit for necessário para ajudar a reduzir o uso total de energia ao longo da vida útil do edifício.

existem novos códigos de energia de construção para edifícios comerciais e residenciais, bem como outros tipos de uso de energia.Reconhecendo que os motores elétricos representam o maior grupo de consumo único de energia elétrica, novos regulamentos—incluindo programas de descontos atraentes—foram adotados para adaptar e substituir motores menos eficientes mais antigos por motores mais novos e mais eficientes. Esses novos motores podem ter uma aplicação direta em aplicações de bomba de poço e bomba de reforço.

além das melhorias que podemos fazer com motores elétricos mais novos, existem outras melhorias aparentemente menores do sistema ou dos componentes que podemos fazer também. Essas melhorias, em muitos casos, podem parecer tão pequenas que são insignificantes ou sem sentido. Mas quando considerados ao longo da vida útil da unidade ou horas de operação anuais, Eles podem facilmente adicionar até uma economia de custos de energia bem acima do custo inicial do próprio investimento.

embora melhorar a eficiência de um sistema ou Usina de bombeamento geralmente esteja diretamente ligado à economia de energia elétrica, existem vários métodos periféricos que também podem economizar energia—e, portanto, aumentar a eficiência. Esses métodos são os seguintes.

métodos operacionais ou de Sistema

• selecione plantas de bombeamento para operar durante períodos Fora do pico ou de descarga de carga, quando viável. Esses períodos, geralmente durante o início da manhã ou tarde da noite, podem fornecer custos de consumo de energia mais baixos do que em qualquer outra hora do dia. Nas aplicações de enchimento do reservatório, isso pode permitir o reabastecimento do reservatório durante um período com consumo relativamente baixo e, portanto, descarregar a cabeça.
• usar uma válvula de estrangulamento em linha, na maioria dos casos, é vantajoso para o derramamento de água. Embora o uso deste processo deve ser verificado específicas para a unidade de bombeamento e do sistema envolvido, de uma linha válvula de estrangulamento em uma bomba de descarga para uma reduzida taxa de fluxo normalmente irá proporcionar uma maior economia de energia de recirculação de água de volta para a fonte ou do contrário, desperdiçar água, além da conservação deste precioso recurso. Nunca use uma válvula de estrangulamento no lado de sucção de uma bomba.
• sempre use Medidores de pressão e medidores de vazão precisos e de alta qualidade para rastrear dados. Mesmo que isso possa parecer um acéfalo, desenvolver e manter um processo de coleta de dados preciso e eficaz requer não apenas dados precisos, mas dados consistentemente precisos. Variações ou imprecisões no método de coleta de dados podem facilmente levar a suposições e decisões erradas.
• Considere e explique as perdas de energia não bombeadas. Mais uma vez, muitas vezes as perdas de energia associadas a funções não vitais e não relacionadas—como os transformadores de iluminação, aquecimento, resfriamento ou utilização dentro de uma estação de bombeamento—podem parecer menores ou insignificantes. Mas à medida que essas perdas aumentam, como para iluminação contínua ou aquecimento, as perdas de energia podem se tornar extremas e distorcer outros custos de energia para fins de bombeamento.

melhorar a eficiência Da Bomba

• o uso de componentes da bomba com baixo atrito hidráulico, como bronze, porcelana e aço inoxidável, causará menor arrasto dentro da própria bomba e, portanto, menores custos de bombeamento. Especifique um C-10/C-20 / C-30 polido acabado em passagens do impulsor.
• truques pouco conhecidos para impulsores ou volutas, como sob ou preenchimento de palhetas, corte da língua voluta, balanceamento dinâmico, mitrando a borda externa do impulsor e polimento do impulsor pode aumentar a eficiência de um ou dois pontos, economizando potência.
• selecione a bomba para operar o mais próximo possível do melhor ponto de eficiência (BEP) ou dentro da melhor janela de eficiência (BEW) em todos os momentos.
• Melhore o encanamento usando o encanamento maior da sução e da descarga do que necessário. Eliminar tees, ells e tubulações restritas sempre que possível e trocar ou usar materiais de tubulação com os menores fatores de atrito, como PVC ou ferro dúctil revestido de cimento sobre aço, também pode beneficiar um sistema.
• mesmo modificar um controle, isolamento ou válvula de retenção na linha de descarga da bomba pode pagar dividendos de longo prazo. Dependendo do tamanho da válvula, taxa de fluxo e dever, mudar um estilo globo Padrão de válvula de controle em linha com um ângulo ou padrão wye tipo de válvula de controle pode economizar até 2-4 psi ou até 10 pés de perda de cabeça durante a operação. Para uma válvula usada estritamente para isolamento da estação, usar um tipo de válvula de porta totalmente aberta (como uma válvula de porta de assento resiliente) em vez de uma válvula com uma obstrução em linha (como um plugue Sem forro ou válvula borboleta) também pode diminuir a perda da cabeça através da válvula.
• o uso de um revestimento de alto desempenho em um impulsor ou voluta ou em um conjunto de tigela pode fornecer menor atrito do disco aos impulsores, resultando em economia de energia. Um revestimento como o epóxi ligado por fusão Scotchkote 134 (SK134) pode custar entre $500-$800 por estágio para aplicar, mas pode aumentar a eficiência em até dois a quatro pontos. Em uma unidade de bombeamento projetada para 1000 GPM a 300 pés TDH, isso pode resultar em uma economia de potência de até quatro cavalos de potência do freio. Com 4000 horas por ano de operação, isso pode resultar em uma economia de energia de mais de US $1200 apenas no primeiro ano.
• durante o projeto de unidades de bombeamento de poço profundo novas ou de substituição, considere a diferença relativa na eficiência da tigela e do motor e na vida útil entre unidades de turbina submersíveis e verticais. Embora o investimento de capital de um sistema de bombeamento submersível seja quase sempre menor do que uma unidade de turbina vertical de tamanho comparável, a eficiência combinada da tigela e do motor geralmente será até 10-15 pontos maior para a unidade de turbina vertical. Por exemplo, com uma planta de bombeamento projetada para 1000 GPM a 300 pés TDH, a diferença nos custos de bombeamento por hora pode chegar a US $1.30 por hora ou $5200 por um período de operação de 4000 horas (50%). Além disso, a vida útil de uma unidade de turbina vertical é muitas vezes maior do que um submersível devido à menor velocidade, calor do motor e acessibilidade. Obviamente, essas proporções nem sempre se aplicam, portanto, o designer deve avaliar esses fatores caso a caso.
• para bombas de turbina verticais, verifique a configuração da tigela pelo menos uma vez por ano para otimizar o desempenho. Para impulsores semiabertos, use um amplificador ou medidor de energia para otimizar o ajuste da tigela.

motores elétricos e condutores

• para motores: Aumentar o tamanho dos fios, otimizar tensões, melhorar o Fator de potência com Capacitores, usar motores de eficiência premium, fornecer um ambiente operacional limpo e fresco e desclassificar a potência de um motor para uma determinada carga pode aumentar a eficiência de uma usina de bombeamento em até 5% apenas por meio de mudanças elétricas.
• para todos os condutores (incluindo os motores de transmissão): substitua o óleo e adicione / substitua a graxa nas frequências e intervalos recomendados pelo fabricante. Use óleo e graxa peso e viscosidade com base nas diretrizes do fabricante. Não encha demais os reservatórios de óleo e mantenha os níveis de óleo entre níveis baixos e altos durante a operação. Para acionamentos de engrenagens refrigerados a água e motores refrigerados a água: Verifique a operação e a taxa de fluxo mínima para o circuito de resfriamento de água. Verifique o acionamento da engrenagem / temperatura de operação do motor para verificar se o óleo está esfriando até os níveis prescritos.
• para motores em standby: realize exercícios de rotina e testes operacionais anuais no mínimo. Independentemente das horas operacionais, substitua o óleo uma vez por ano no mínimo. Gire ou use combustível armazenado para manter a qualidade. Se necessário, use combustível diesel com qualidade anti-depilação ou aditivo para evitar a depilação em longos intervalos de armazenamento. Verifique a prontidão do motor com a função adequada do carregador de bateria, aquecedor de jaqueta, pré-aquecimento e velas de incandescência (se aplicável). Para motores prime: substitua o óleo e as velas de ignição (gás) no horário de funcionamento recomendado pelo fabricante; use o serviço pesado como diretriz. Conduza a compressão e o sincronismo cada dois anos para verificar a função uniforme do cilindro.
• para linhas de transmissão: verifique o alinhamento e as juntas em U de graxa em intervalos recomendados pelo fabricante. Para acionamentos por correia: Verifique a tensão da correia e a aplicação uniforme da correia pelo menos uma vez por ano. Considere substituir várias correias em V por uma única serpentina ou correia dentada.

acionamentos de Frequência Variável e válvulas de controle

acionamentos de velocidade ou frequência variáveis (VFDs), bem como válvulas moduladoras de pressão, tornaram-se rapidamente um método preferido para economia de energia e melhoria da eficiência do sistema. No entanto, eles não são sem suas desvantagens e limitações, então o designer deve empregar e considerar recursos específicos para fornecer a maior eficiência possível e prolongar a vida útil do sistema de bombeamento. Estes incluem o seguinte:

• tal como acontece com a maioria dos dispositivos eletrônicos, os VFDs não se importam com o calor. Não só a vida útil da unidade sofrerá, mas também a eficiência operacional. Por estas razões, ventilação e resfriamento adequados devem ser observados.
• ao usar com motores submersíveis ou outros motores com um longo cabo entre o motor e o acionamento (mais de 50 pés), pode ocorrer uma condição conhecida como tensão de onda refletida. Isto significa simplesmente que a movimentação pode ser exposta a um nível retornado de tensão saltado para trás do motor nos valores centenas de vezes mais altamente do que a isolação do motor é avaliado para. Vários dispositivos de proteção, como retificadores, são usados para negar essas condições e devem ser implementados em todas as instalações com longos deslocamentos de cabos.
• ao dimensionar um VFD, considere a amperagem real com a qual a unidade precisará operar, não apenas a potência. Como um motor submersível produzirá corrente mais alta do que um motor padrão de potência comparável, o dimensionamento da potência pode não fornecer uma capacidade de reserva adequada para a corrente mais alta. Em muitos casos, aumentar o tamanho da unidade em um pode proteger contra esse potencial. Este é um problema comum em instalações de retrofit.
• os tipos específicos de instalações, tais como aquelas no eixo oco vertical ou nos motores horizontais padrão, podem conduzir aos laços à terra ou ao arco de tensões impostas dentro dos rolamentos. Existem vários métodos para proteger contra essa ocorrência, mas o método mais confiável envolve aterramento e ligação eficazes e completos do acionamento e do motor.
• para aplicações VFD novas ou de retrofit, verifique se a redução de velocidade coincide com a curva da bomba selecionada e se as economias de energia se aplicam a velocidades reduzidas. As curvas íngremes da bomba são geralmente mais garantidas e favoráveis quando usadas com VFDs do que o uso de válvulas de controle de pressão em linha. Um maior grau de economia de energia a taxas de fluxo reduzidas geralmente ocorre quando uma válvula de controle de pressão em linha é aplicada a uma bomba com uma curva plana, uma vez que a potência tende a cair sobre uma queda proporcional na taxa de fluxo.

usando o software de design de bombas

à medida que as técnicas de modelagem computacional continuam a melhorar e trabalhar em nossas vidas diárias, a necessidade de considerar o uso de programas de seleção de bombas também aumenta. Por minha conta, existem atualmente cinco opções genéricas de software de seleção de bombas e inúmeros programas de seleção de fabricantes.

embora eu sempre tenha sido um temporizador antigo cortado e seco quando se trata de selecionar uma bomba de catálogos e usando curvas de fabricante, meu uso de programas de seleção aumentou muito na última década, especialmente agora que estou projetando mais sistemas de bombeamento com fluxo variável e condições de cabeça.

embora não pretenda anunciar, estou muito satisfeito e trabalho com o software PumpFlo desenvolvido pela Engineered Software Inc. Comecei com a versão I anos atrás e agora trabalho com a versão X e estou satisfeito com a maneira como este software permite a seleção de várias bombas inserindo as condições de design de capacidade e cabeça ou referindo-se diretamente a um modelo de bomba específico.

mesmo sabendo que existem muitos outros excelentes programas de software de seleção de bombas disponíveis, sou um dos dinossauros que prefere ficar com algo quando funciona para mim (esta é a mesma razão pela qual estou casado há 40 anos!).Além dos programas que permitem a comparação de bombas de diferentes fabricantes, praticamente todos os fabricantes de bombas agora têm seu próprio programa de seleção ou fazem parte de um software de seleção de bombas, como PumpFlo, PumpCALC ou PumpBase. A maioria dos programas de seleção permite avaliação de várias velocidades, comparação de eficiência e potência, limitações de curva de bomba e seleções com diferentes guarnições e estágios, juntamente com as mudanças apropriadas na eficiência e tração de potência, cada um um um parâmetro crítico na concepção adequada de um sistema de bombeamento de água.

Esse tipo de funcionalidade não só acelera a seleção de uma bomba de poço, mas também ajuda com precisão e comparação de diferentes modelos e marcas, além de a gerado pelo computador de impressões e curvas olhar melhor do que o tipo I, uma vez produzido por mão. Embora o uso de um software de seleção de bombas provavelmente não seja tão eficiente e necessário com bombas de poço doméstico, recomendo de todo o coração o uso dessa tecnologia para bombas de poço e impulsionador de turbina submersíveis e verticais maiores.

unidade ou componente vs. A Eficiência do sistema

Como a palavra-chave de eficiência continua a fluência em nossas vidas diárias de trabalho, com mais e mais freqüência, devemos reconhecer como sistema de água designers a importância de espremer mais trabalho por menos energia, como forma não apenas para salvar o nosso cliente importante custos operacionais, mas também para preservar o nosso mundo de recursos naturais limitados.

uma das muitas maneiras pelas quais podemos ajudar nesse empreendimento é avaliando e melhorando a eficiência do sistema e dos componentes.

a eficiência do sistema é o contribuinte mais óbvio e aparente para a eficiência geral e os custos operacionais, e o que geralmente estamos mais preocupados. Em sistemas de água vernacular, é comumente referido como a eficiência da planta de fio para água ou bombeamento. É a eficiência líquida, composta pelas perdas individuais dentro de todo o sistema que, juntas, criam a eficiência final da planta.Por outro lado, a eficiência da unidade, também conhecida como eficiência do componente, é a eficiência relativa de um elemento específico ou individual dentro do sistema agrupado maior. Poderia ser a bomba, o motorista, ou a eficiência da transmissão, ou mesmo a eficiência de um único componente dentro da unidade total, tal como as perdas hidráulicas internas dentro de um impulsor ou a fricção do rolamento para uma fase em uma bomba de turbina vertical de vários estágios que são cada uma uma parte separada da eficiência total da bacia.

muitas pessoas pensam que a eficiência do sistema é o único fator importante, mas não concordo. Em muitos casos, o uso de melhorias incrementais na eficiência da unidade ou do componente pode ser muito mais econômico do que as mudanças no atacado de todo o sistema. Esta é a razão pela qual eu tout usando métodos de baixo custo, mas eficazes, como enchimento do impulsor, polimento ou revestimentos de tigela como formas de aumentar a eficiência da bomba.

aqui está outro exemplo: A conversão para 100 HP, a eficiência premium de 1800 RPM de um motor elétrico de eficiência padrão aumentará a eficiência de carga total de cerca de 93% para 94,5%. Total carregado condição, esta melhoria incremental irá economizar até 1.27 kW, que, quando multiplicado por 3000 horas de funcionamento por ano, irá resultar em uma economia de energia de 3820 kW/h. $0.15 por kW/hr., este é um potencial de economia em custos operacionais de us $573 por ano.

este tipo de economia também é possível com retrofits de tigela, onde uma melhoria de uma eficiência de tigela de 75% até 83% com uma carga de 50 BHP (potência de freio) pode economizar até 6,42 BHP.

mesmo ao demonstrar essas economias de energia comprovadas, em muitos casos—particularmente aqueles em ambientes de irrigação—os clientes costumam ser resistentes a investir o custo de uma substituição ou atualização inteira do sistema do que para uma substituição de componentes. Testar e avaliar a eficiência individual das unidades ou componentes e, em seguida, recomendar a substituição ou reparo desses elementos específicos costuma ser mais propício ao orçamento de um cliente do que a substituição de todo o sistema.

você ainda vai gerar negócios e vendas, bem como ter a satisfação de provavelmente salvar o cliente algum dinheiro real no final.

conclusão

à medida que os custos de energia continuam a aumentar a cada ano, a necessidade de considerar totalmente a eficiência de cada item em nossos sistemas de bombeamento também continuará a aumentar. O objetivo desta coluna é lembrá-lo da importância da eficiência em nosso mundo. Existem maneiras de melhorá-lo com apenas um pouco de pensamento, preservando ao mesmo tempo a eficácia do sistema de bombeamento.

considere todas as possibilidades, não importa o quão insignificantes possam parecer, e você pode achar que elas podem apenas oferecer alguns dividendos reais para você e seu cliente.

até o próximo mês, trabalhe com segurança e inteligência.

Ed Butts, PE, é o engenheiro-chefe da 4B Engineering & Consulting, Salem, Oregon. Ele tem mais de 40 anos de experiência no negócio de poços de água, especializada em Engenharia e gestão de negócios. Ele pode ser alcançado em [email protected].