Grundfos ofrece una estrategia para hacer frente al problema de la inexistente clase IE3 de bombas de aguas residuales

Bombas de aguas residuales SL de Grundfos en una estación de bombeo PUSTBombas de aguas residuales SL de Grundfos en una estación de bombeo PUST
Las aguas residuales y la clase IE3

Un análisis técnico de las normas sobre rendimiento de motores de la IEC para las aplicaciones con aguas residuales

Motores estándar MG de Grundfos

En la actualidad, las bombas consumen al menos el 10 % de la producción de energía eléctrica mundial y dos terceras partes de la totalidad de las bombas instaladas utilizan una cantidad excesiva de energía que puede alcanzar hasta un 60 %. Según Grundfos, un fabricante multinacional de bombas, si todas las empresas pasaran a utilizar sistemas de bombeo de alto rendimiento, el consumo de electricidad mundial podría reducirse en un 4 % (lo que equivale al consumo de electricidad doméstico de 1.000 millones de personas). Por este motivo, la reducción de los costes energéticos mediante el desarrollo de motores eléctricos de mayor eficiencia energética se ha convertido en una prioridad para los usuarios finales, los legisladores medioambientales, los gobiernos y los fabricantes.

FOTOGRAFÍA: Motores estándar MG de Grundfos.

A lo largo de la última década se han dedicado grandes esfuerzos a armonizar las diferentes normas de ensayo y clasificación existentes a nivel internacional, así como los correspondientes sistemas de etiquetado en uso. La Comisión Electrotécnica Internacional (IEC) ha colaborado con organizaciones internacionales como la NEMA, el CEMEP y el IEEE, entre otras, y el fruto de este trabajo ha sido la publicación de dos importantes normas:

• IEC 60034-2-1 (ed. 1.0): Máquinas eléctricas rotativas. Parte 2-1: Métodos normalizados para
la determinación de las pérdidas y del rendimiento a partir de ensayos (excepto para las máquinas para vehículos de tracción),
del año 2007, en la que se describen los métodos empleados para el rendimiento de los motores.

• IEC 60034-30 (ed. 1.0): Máquinas eléctricas rotativas. Parte 30: Clases de rendimiento para los motores trifásicos de inducción de jaula de velocidad única (código IE), en la que se definen las clases energéticas de los motores de inducción.

Bomba SE de Grundfos montada en un conjunto de acoplamiento automático

FOTOGRAFÍA: Bomba SE de Grundfos montada en un conjunto de acoplamiento automático.

“Existen dos métodos para determinar el rendimiento de un motor eléctrico”, explica Mikael Nedergaard, director global de productos de Grundfos Holding A/S. “El primero de ellos conlleva realizar un ensayo directo consistente en medir la potencia de entrada, a través de la tensión y la corriente suministradas, y la potencia de salida, a través de la velocidad de giro y el par. El segundo es un método indirecto que requiere medir la potencia de entrada y calcular las pérdidas totales midiendo y agregando componentes individuales de pérdidas. Este método indirecto únicamente puede utilizarse para los motores trifásicos”.

En la norma de clasificación actual (IEC 60034-30, para motores trifásicos de inducción de jaula de velocidad única) se definen tres niveles de eficiencia energética:
• IE3: Muy alto rendimiento (equivalente a la clase NEMA Premium)
• IE2: Alto rendimiento (equivalente a la clase NEMA Energy Efficient)
• IE1: Rendimiento estándar (equivalente a la antigua clase CEMEP EFF2)

Bomba sumergible SL de Grundfos de 22 kW y carga media con motor integrado

FOTOGRAFÍA: Bomba sumergible SL de Grundfos de 22 kW y carga media con motor integrado.

En 2014 se publicará la nueva norma IEC 60034-30-1, en la que se incluirá un cuarto nivel de eficiencia energética: la clase IE4 (rendimiento excepcionalmente alto). Esta norma sustituirá a la norma IEC 60034-30 actual.

“El nivel de rendimiento IE2 entró en vigor en junio de 2011, a través de la Directiva europea sobre ecodiseño; por otra parte, a partir de enero de 2015, todos los motores con una potencia nominal comprendida entre 7.5 y 375 kW deberán ser como mínimo de clase IE3, o IE2, si incorporan un variador de frecuencia”, explica Robert Bork Hansen, especialista global en productos de Grundfos Holding A/S. “Estos requisitos se aplican a los motores de inducción trifásicos bipolares, tetrapolares y hexapolares de velocidad única con tensiones nominales de hasta 1.000 V que funcionen en continuo. Un aspecto importante es que no afectan a los motores diseñados para funcionar completamente sumergidos en un líquido ni a los motores completamente integrados en productos en los que el rendimiento energético del motor no pueda determinarse mediante ensayos de forma independiente”.

La pregunta que debe plantearse es si puede decirse que una bomba con un motor integrado que esté diseñada para funcionar sumergida en agua (por ejemplo, una bomba de aguas residuales) ofrece un rendimiento de clase IE2 o IE3. Dado que el motor no se puede ensayar de forma independiente de la bomba, en gran parte porque no existen conexiones normalizadas, sistemas de refrigeración definidos ni métodos de ensayo establecidos, la respuesta tiene que ser “no”.

“En teoría, el ensayo del motor de una bomba de aguas residuales debería ser relativamente sencillo, ya que el motor incluye un eje que debería permitir determinar el par y la potencia”, indica Leo Andersen, director regional de gamas de productos de Grundfos Holding A/S. “Sin embargo, cualquier procedimiento de ensayo debería abordar aspectos como la refrigeración y la ventilación, junto con la potencia utilizada para mantener el motor refrigerado. Otros dos elementos que pueden contribuir a los requisitos de potencia del eje del motor son las pérdidas mecánicas por fricción del sello y las pérdidas por fricción del cojinete, a causa del uso de cojinetes de contacto en ángulo. Las bombas de aguas residuales presentan habitualmente una configuración con un sello mecánico doble para evitar que se produzcan fugas de líquido y que este entre en el motor”.

Tal como añade Leo Andersen: “También debe tenerse en cuenta la instalación. Por ejemplo, el rendimiento de un motor variará en función de si se utiliza en una instalación en mojado o en seco. En conclusión, la determinación del conjunto de las pérdidas del sistema es la que exige un método de ensayo claramente definido, pero para ello habría que crear un laboratorio que replicase la instalación”.

Las observaciones realizadas por los clientes de Grundfos del sector de las aguas residuales muestran que la fiabilidad de funcionamiento y el aumento del rendimiento son los aspectos que más les preocupan. Una vez instalada la bomba, a los usuarios les gustaría no tener que volver a tocarla; asimismo, estarían dispuestos a sacrificar cierto grado de eficiencia energética si eso conlleva una reducción del número de averías. El rendimiento es un aspecto que afecta a todos los usuarios de bombas del sector de las aguas residuales y cuya importancia aumenta cuanto mayor es el tamaño del motor de la bomba. El objetivo de Grundfos es que todas sus bombas de aguas residuales ofrezcan unos niveles totales de eficiencia energética máximos.


Si en el pliego de condiciones de una licitación se especifica que las bombas de aguas residuales deben ser de clase IE3, es imposible que ningún fabricante pueda suministrar una bomba de este tipo ya que no existen normas aplicables al respecto.

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FOTOGRAFÍA: Curvas de rendimiento de la bomba de aguas residuales SL/SE 1.95.150.220.4.52H de Grundfos, incluida la curva característica (Eta 1). La curva Eta 2 indica el rendimiento hidráulico.

La solución de Grundfos
Dado que resulta imposible demostrar que una bomba de aguas residuales con un motor integrado es de clase IE2 o IE3, Grundfos propone una solución que considera que da respuesta al problema del rendimiento de la bomba y el motor. Las bombas de aguas residuales SE1/SEV y SL1/SLV de Grundfos incorporan ahora los componentes eléctricos internos (es decir, el rotor y el estátor) del motor IE3 en la carcasa de la bomba.

“La diferencia entre el motor de estas bombas de aguas residuales y un motor IE3 convencional estriba en los cojinetes, los sellos mecánicos y la ausencia de ventiladores de refrigeración, tomando como referencia lo expuesto anteriormente”, explica Robert Bork Hansen. “En las instalaciones en mojado, la refrigeración la proporciona el fluido en el que está sumergida la bomba. La clase de los rotores y los estátores de los motores IE3 de Grundfos se certifica según la norma de motores TEFC y va respaldada por informes de medición, de forma que son a todos los efectos motores que cumplen los requisitos de la clase IE3. Sin embargo, al cambiar los cojinetes y añadir un sello mecánico del eje y un sistema de refrigeración, no se puede demostrar si los motores cumplen los requisitos de la clase IE3”.

El principal motivo por el que no se ha creado hasta la fecha una norma de rendimiento para bombas de aguas residuales podría ser que los fabricantes y los responsables de elaborar las leyes y las normas consideran los motores de las bombas de aguas residuales como dispositivos independientes y no como dispositivos integrados en las bombas, por lo que tienen dificultades para definir las pérdidas por fricción y el rendimiento del motor.

Los fabricantes de bombas que afirman que sus bombas de aguas residuales son de clase IE3 están induciendo al error a los consultores y los usuarios finales. Si en el pliego de condiciones de una licitación se especifica que las bombas de aguas residuales deben ser de clase IE3, es imposible que ningún fabricante pueda suministrar una bomba de este tipo ya que no existen normas aplicables en relación con las definiciones de rendimiento de las bombas de aguas residuales con motores integrados.

El uso de componentes eléctricos de un motor IE3 y su instalación en una bomba de aguas residuales ofrece cierta información sobre el nivel de rendimiento del conjunto del motor. Sin embargo, no puede aportar valores específicos ya que las pérdidas por fricción de una bomba de aguas residuales son distintas de las que existen en una bomba estándar y dichas pérdidas no se tienen en cuenta. Tampoco aporta información acerca de los aspectos hidráulicos, que son los que mayores posibilidades de aumento de rendimiento ofrecen.

“Para conseguir que el sistema de bombeo ofrezca un rendimiento máximo, la bomba seleccionada debe tener un punto de mejor rendimiento (BEP) que se adapte a la perfección al punto de trabajo”, afirma Mikael Nedergaard. “El punto BEP depende en gran medida de las características de la bomba, a saber, su potencia, caudal y carga, y es el punto de la curva de la bomba que posibilita un funcionamiento más eficiente. No debe olvidarse que el rendimiento de la bomba disminuye notablemente si funciona alejada del punto BEP correspondiente”.

Grundfos cree que, a la hora de debatir acerca de las bombas de aguas residuales y las bombas de motor sumergible, los fabricantes, consultores y usuarios finales deben considerar el rendimiento total de la bomba según se define en la norma ISO 9906: 2012, “Performance acceptance test for rotodynamic pumps” (Ensayo de confirmación de rendimiento para bombas rotodinámicas), o la norma ANSI/HI 11.6.2012, “Performance acceptance test for rotodynamic submersible pumps” (Ensayo de confirmación de rendimiento para bombas rotodinámicas sumergibles), en lugar de centrarse exclusivamente en el rendimiento del motor. Los aspectos hidráulicos de la bomba resultan igualmente importantes para el rendimiento del motor, ya que ofrecen unas posibilidades de mejora del rendimiento de la bomba mucho mayores. En ausencia de una norma apropiada de eficiencia energética para estas bombas, es inevitable que los fabricantes y proveedores destaquen la conexión con la clase IE3. Esta situación está comenzando a cambiar y en Europump se están debatiendo propuestas para elaborar una norma apropiada para estas bombas. No obstante, el impulso del desarrollo de una norma adecuada no debe recaer exclusivamente en las manos de los fabricantes de bombas, sino que también debe contarse con la participación de los políticos y organismos reguladores.

“Hace pocos años vio la luz una norma energética para bombas circuladoras pequeñas en la que, al igual que sucede con las bombas de aguas residuales y las bombas sumergibles, el motor y el eje se ubican en una carcasa única y no pueden ensayarse por separado”, comenta Mikael Nedergaard. “La norma elaborada por Europump, la asociación europea de fabricantes de bombas, contó con el respaldo de la UE e incluye siete clasificaciones en función del ahorro de energía. El índice de eficiencia energética (EEI) de la bomba se calcula en función de un perfil de carga anual y la bomba se etiqueta en función de su eficiencia energética. La introducción del etiquetado energético permite al usuario final comparar los productos y determinar las bombas más adecuadas para su instalación”.

Si esto puede hacerse para las bombas circuladoras, eso implica que también puede elaborarse una norma energética válida y reconocida a nivel internacional para las bombas de aguas residuales. Dado que en el sector del tratamiento de aguas residuales se tiende cada vez más a utilizar plantas de tratamiento más grandes y eficientes que a su vez exigen disponer de bombas más grandes, los costes energéticos van a ser cada vez más importantes. El sector de las bombas y los organismos reguladores tendrán que dar una respuesta adecuada a esta situación e invertir en un programa de ensayos que ofrezca a los usuarios finales la información que necesitan.

Redactado por Bryan Orchard

Referencias:

Datos de Grundfos sobre bombas y energía

Información sobre la etiqueta energética de los motores Grundfos Blueflux®

Comisión Electrotécnica Internacional

Publicaciones del programa de trabajo sobre máquinas rotativas TC2 (14)

Asociación Nacional de Fabricantes Eléctricos (NEMA) de Estados Unidos

Europump

Guía de Europump sobre rendimiento de bombas centrífugas de una sola etapa

Directrices de Europump sobre la aplicación del Reglamento 640/2009/CE, sobre requisitos de diseño ecológico para los motores eléctricos (mayo de 2011)

Estudios preparatorios de ecodiseño sobre bombas (ENER, Lote 28: bombas de aguas residuales)





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