Pompe: l'85% dei costi operativi totali è rappresentato dall'energia
Nel mondo industriale le pompe sono utilizzate ovunque e si stima che il 10% dell'energia mondiale sia consumata da pompe di vario tipo; si tratta quindi di un ambito ideale su cui concentrarsi per affrontare la sfida fondamentale del risparmio energetico.
Le pompe centrifughe (dotate di rotore o girante) sono molto diffuse e relativamente economiche, pertanto trovano ampia applicazione nel settore delle bevande e degli alimenti, in particolare per i fluidi a bassa viscosità: ricezione del latte, pastorizzazione, trattamento asettico/UHT, succhi, CIP e filtrazione. Ma forse ti sorprenderà sapere che l'85% del costo totale di proprietà (TCO) di una pompa centrifuga economica è rappresentato dal consumo energetico! Possiamo mostrarti come trasformare questa situazione a tuo vantaggio.
{"chart":{"type":"pie","chartType":"pie"},"title":{"text":"Costo totale delle operazioni","align":"left"},"subtitle":{"text":null,"align":"left"},"tooltip":{"pointFormat":"'{series.name}: <b>{point.percentage:.1f}%</b>"},"series":[{"name":"Costo","colorByPoint":false,"data":[{"name":"Energia ","y":85.0,"color":"#3DBDF3"},{"name":"Decontaminazione/rimozione","y":1.0,"color":"#F58220"},{"name":"Operativo ","y":3.0,"color":"#454545"},{"name":"Acquisto e installazione","y":7.0,"color":"#0A5982"},{"name":"Perdita di produzione ","y":1.0,"color":"#E1F2FD"},{"name":"Manutenzione e riparazione","y":3.0,"color":"#5D5D5D"}]}],"legend":{"layout":"vertical","align":"right","verticalAlign":"bottom"},"exporting":{"buttons":{"contextButton":{"enabled":false}}}}
Miglioramento delle prestazioni, della durata delle apparecchiature e della sostenibilità
Notevole risparmio energetico grazie all'uso di un VFD
Molte linee di produzione di alimenti e bevande richiedono che le pompe funzionino a portate diverse per adattarsi ai parametri di lavorazione e a ricette o ingredienti specifici. Se si dispone di un sistema di regolazione della portata, è sufficiente limitare il flusso chiudendo una valvola.
Ma ciò comporta due conseguenze negative. La prima è che aumenta la contropressione sulla pompa, il che genera calore e può causare il deterioramento del prodotto o l'usura delle parti della pompa, come le tenute meccaniche. La seconda è che il funzionamento risulta inefficiente e può persino causare danni alla pompa.
La buona notizia è che abbiamo la possibilità di ottenere un enorme risparmio energetico semplicemente abbinando la pompa a un azionamento variabile di frequenza (VFD) o a un convertitore di frequenza. Modificando la frequenza elettrica in ingresso, si modifica anche la velocità della pompa. Questa soluzione consente di utilizzare una pompa in modo efficiente per il trattamento di una vasta gamma di liquidi con diverse viscosità, diverse pressioni di mandata e diverse portate.
Confronta questi due metodi di controllo del processo nella tabella. Ipotizzando una portata di 70 m³/h alla massima potenza della pompa e un consumo di 26 kW, i due sistemi sono identici. Tuttavia, se si volesse ridurre la portata al 60% della capacità, il sistema con valvola a farfalla continuerebbe a consumare 21 kW di energia, mentre il sistema VFD consumerebbe solo 9 kW! Il VFD è un piccolo investimento che consente di risparmiare molto denaro.
| Flusso (m3/ora) | % flusso | Sistemi con limitazione della larghezza di banda | Sistemi VFD |
|---|---|---|---|
| 70 | 100% | 26 kW | 26 kW |
| 56 | 80% | 23 kW | 16 kW |
| 42 | 60% | 21 kW | 9 kW |
| 35 | 50% | 20 kW | 6 kW |
Un VFD mantiene la pompa “al giusto regime”, migliorandone le prestazioni, la durata e la sostenibilità
Scegliere fin dall'inizio la pompa giusta significa optare per un modello che offra le prestazioni adatte alle proprie applicazioni: è un ottimo punto di partenza. Tuttavia, la maggior parte delle pompe dovrà adattare le proprie prestazioni in base alle esigenze di una determinata applicazione, ai cambiamenti del prodotto, alla qualità delle materie prime o alla presenza di ingredienti speciali. Ogni pompa presenta un profilo prestazionale che può essere rappresentato graficamente rispetto a una curva di affidabilità, come illustrato nella figura sottostante.
La pompa funzionerà all'interno di quell'intervallo della curva di affidabilità, ma più ci si allontana dal BEP, meno affidabile sarà il suo funzionamento e più frequenti saranno i guasti (vedi MTBF sull'asse di destra). Questo evidenzia un'altra differenza. Se si riduce la portata limitando il flusso, non solo si spreca energia non raggiungendo il punto di massima efficienza, ma la pompa potrebbe anche essere soggetta a vibrazioni e a una contropressione più elevata, con conseguente usura di giranti, cuscinetti e guarnizioni. L'energia risparmiata viene trasformata in calore, con il rischio di deterioramento del prodotto alimentare.
Un sistema VFD riduce semplicemente la frequenza della pompa – e quindi la sua velocità – senza alcun rischio di potenziali effetti di taglio o di temperatura sui prodotti sensibili. Ciò si traduce in una riduzione dei costi di manutenzione grazie a una maggiore affidabilità e durata e a una migliore sostenibilità, attraverso un minor numero di perdite di prodotto e minori emissioni. Inoltre, come mostra il diagramma, l'uso di un VFD per regolare la portata mantiene la pompa in funzione “al regime” in cui l'efficienza è maggiore, consentendo così un risparmio complessivo sui costi energetici.
Curva di affidabilità della pompa, BEP = BOP
In questo diagramma, una pompa ha un punto di efficienza migliore (BEP) e la migliore pratica è mantenerla entro il -10% e il +5% di quel punto. Sensibilità della curva della pompa per l'affidabilità della pompa.
La matematica è più facile di quanto si pensi
Poiché la maggior parte delle pompe centrifughe sono azionate da un motore elettrico, la velocità della pompa è più spesso la velocità del motore, e la velocità e il diametro della girante determinano la mandata o la pressione della pompa. Tuttavia, la modifica della velocità cambia i requisiti di mandata, flusso e potenza della pompa in base alle seguenti leggi sull'affinità:
- La portata (in metri cubi all'ora) varia in modo proporzionale alla variazione della velocità. Una velocità doppia fornisce un flusso doppio. Un terzo della velocità fornisce un terzo del flusso.
- La mandata della pompa (pressione) varia in proporzione al quadrato della variazione di velocità. Raddoppiando la velocità, la mandata quadruplica (22). Una velocità pari all'80% genera il 64% (0,802) della mandata generata dalla velocità massima.
- Il fabbisogno di potenza (kW) varia in proporzione al cubo della variazione di velocità. Una velocità doppia consuma otto volte (23) più energia. La velocità ridotta a metà richiede solo un ottavo (0,503) della potenza necessaria per azionare la pompa.
“Il calcolo è semplice: se la pompa non funziona costantemente al 100% della potenza, un VFD può rivelarsi davvero vantaggioso, perché il risparmio energetico ottenibile controllando la portata in questo modo è incredibile. Se invece riduci la portata delle pompe, inizi immediatamente ad allontanarti dal punto di massima efficienza. A quel punto si iniziano a riscontrare ulteriori vibrazioni e contropressione, e la durata della tenuta meccanica potrebbe ridursi, causando guasti costosi e un aumento dei tempi di inattività."
- Angelo Mennecillo, Plant Components Product Manager presso Tetra Pak®
