Material elaborado en el marco del Proyecto FOMIN-CONAPROLE:
Promoción de la Mejora de la Eficiencia Energética y Uso de Energías Renovables en Pequeños y Medianos Establecimientos Lecheros.
Tambo y Energía
Eficiencia Energética y Energías Renovables
CUADERNO 3 La cosecha de la leche
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Unidad Ejecutora * Ing. Agr. Gabriel Oleggini, MSc. Jefe de Proyecto * Ing. Federico Arismendi, Asistente de Proyecto * Dr. Ing. Pablo Darscht, Coordinador de Proyecto Se agradece la revisión y colaboración técnica de Eficener - UTE Diseño: El Paso Comunicación+Resultados Junio 2016
Tambo y Energía
Eficiencia Energética y Energías Renovables
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www.energia.eleche.com.uy
EN COORDINACIÓN CON: Fondo Multilateral de Inversiones Miembro del Grupo BID
La cosecha de la leche El sistema de recolección de la leche es la tecnología más importante que se utiliza en un tambo y acumula más horas de uso que cualquier otro equipo.
Temario Cuaderno 3 • La cosecha de la leche • Los variadores de velocidad • Ventajas del control de presión con variador de velocidad
El cuidadoso diseño, selección, instalación y mantenimiento de la máquina de ordeñe es fundamental para alcanzar un óptimo desempeño productivo, rendimiento, eficiencia y calidad de la leche. Se utiliza una cantidad significativa de energía para extraer leche de la vaca y transportarla al tanque de frío del tambo. La máquina de ordeñe está constituida por un conjunto de componentes interconectados a través de sistemas eléctricos y tuberías. Nuestras mediciones indican que, en promedio, los tambos uruguayos
PROYECTO BID-FOMIN ATN/ME-13114-UR: Promoción de la Mejora de la Eficiencia Energética y Uso de Energías Renovables en Pequeños y Medianos Establecimientos Lecheros El objetivo del proyecto es contribuir a incrementar la competitividad del sector lechero uruguayo, a través de facilitar el acceso a los productores rurales a energías limpias y eficientes. El proyecto es ejecutado y cofinanciado por CONAPROLE y una donación del Fondo Multilateral de Inversiones del Banco Interamericano de Desarrollo (BID-FOMIN). Comenzó a ejecutarse en 2012 y se extenderá hasta Marzo de 2017.
destinan la cuarta parte de la energía que consumen a operar la máquina de ordeñe. En primer lugar, la eficiencia energética dependerá del tiempo de operación de la máquina, lo que a su vez depende del dimensionamiento de la sala. Desde el punto de vista productivo, los técnicos de CONAPROLE recomiendan que el proceso de ordeñe no supere las dos horas. Para lograr ese objetivo, la relación entre el número máximo de vacas en ordeñe y el número de órganos debe estar entre 10 y 15. Es decir que un tambo que cuente con 200 vacas debería tener una máquina con una cantidad de órganos entre 14 y 20 para lograr un ordeñe eficiente.
Fig. 1
Bomba de vacío
Interceptor
Tubería de leche
Trampa sanitaria Tubería evacuación de leche
Recibidor Bomba de leche
Tiempos mayores afectan tanto la eficiencia de producción del rodeo como la operación eficiente de los equipos. La figura 1 muestra un diagrama simplificado de una máquina de ordeñe.
Tubería de aire de pulsación
Vacuómetro Tubería principal de aire
Desde el punto de vista productivo, los técnicos de CONAPROLE recomiendan que el proceso de ordeñe no supere las dos horas.
Tubo largo de leche
Pulsador Tubo largo de pulsación Copas de ordeño Colector
Los variadores de velocidad Esta presión debe mantenerse constante, en el entorno de los 45 kPa de vacío. Para mantener ese vacío, en las ordeñadoras convencionales, las bombas operan continuamente a máxima potencia. Sin embargo, la cantidad de aire a ser quitado de las líneas varía en función del flujo de leche y del ingreso de aire. Por tanto, una válvula reguladora (ver figura 2) regula la presión de vacío.
El elemento central, y principal consumidor de energía, es la bomba de vacío, que opera durante el ordeño y posterior lavado de la máquina.
Cuando el vacío en la línea sube por encima de un valor establecido de presión (por ejemplo, 45 kPa), la
Esta forma de control es ineficiente, porque durante un porcentaje muy importante del tiempo de operación de la bomba ésta genera más vacío del necesario. Por lo tanto, la bomba expulsa aire por un lado y la válvula reguladora lo deja ingresar por otro. Este modo de operación equivaldría a conducir un auto acelerando todo el tiempo a fondo, regulando la velocidad del mismo exclusivamente con el freno.
Fig. 2
En la actualidad existen soluciones que usan otra forma para regular la presión: en lugar de dejar entrar aire al sistema manteniendo la bomba a toda máquina, lo que hacen es variar la velocidad del motor de la bomba de vacío: un sensor electrónico mide la presión en la línea de vacío, y dependiendo de su valor, informa al control electrónico de la bomba que disminuya o aumente su velocidad tanto como sea necesario para mantener la presión en el valor deseado. Este dispositivo de control se conoce como variador de velocidad (VSD = Variable Speed Drive).
El principio de funcionamiento de un VSD es que la velocidad de giro de un motor depende de la frecuencia de la corriente eléctrica con la que se alimenta. Normalmente, el motor se conecta directamente a la red eléctrica, por la que circula corriente alterna de 50 Hertz de frecuencia. Si en cambio, conectamos el motor a un dispositivo que suministra corriente cuya frecuencia varía, entonces lograremos que varíe la velocidad del motor. Para cerrar el circuito, lo que necesitamos es que la velocidad del
Sensor de vacío
Peso
Interceptor Bomba de vacío
Aire de las unidades
Trampa sanitaria
Tubería evacuación de leche
Entrada de aire Aire a la bomba de vacío
Dado que todo esto se produce en forma instantánea, el efecto final es que la presión de vacío se mantiene constante, para lo cual el motor varía momento a momento su velocidad de giro.
Tubería de aire de pulsación
Tubería de leche
Tubería principal de aire
Una primera consideración en relación a la eficiencia energética es verificar el correcto estado y tensión de la correa, que puede ser causa de pérdidas importantes.
motor suba cuando tengo poco vacío y baje cuando el vacío puede ser excesivo. Es decir: mido el vacío en la línea, lo comparo con el valor de referencia (“consigna” en la figura, 45 kPa para fijar ideas), si es mayor que 45 kPa, bajo la frecuencia de la corriente con que alimento el motor (y viceversa) y ello hace a su vez bajar la presión de vacío.
Fig. 3 Vacuómetro
Es usual que este equipo esté accionado por un motor independiente, acoplado por correas de trasmisión.
La bomba de vacío produce una presión negativa para facilitar la extracción de la leche de la vaca y proporciona el movimiento del aire que propulsa el flujo de leche desde el órgano hasta el recibidor.
válvula se abre y deja ingresar aire en la línea de succión de la bomba, para que el vacío no se incremente y genere lesiones en las vacas.
VSD
Recibidor Bomba de leche
Tubo largo de leche
Pulsador Tubo largo de pulsación Copas de ordeño Colector
Consigna
Ventajas del control de presión con variador de velocidad
Ahorro de energía y dinero
El sistema puede tener un repago de menos de dos años. El ahorro de energía depende de cuántas horas está operando la bomba diariamente, y de qué tan sobredimensionada está la bomba. El ahorro de dinero depende, además, del precio de la energía en el momento del ordeñe (tarifa multihorario). Si se ordeña en horarios “caros”, entonces el impacto económico de incorporar el VSD es aún mayor. Según mediciones realizadas en tambos de CONAPROLE, el ahorro que genera el variador de velocidad es del entorno de un 60% respecto a una maquina sin variador.
Reducción de ruido
Los operarios de establecimientos en los que se incorpora un VSD hablan de un antes y un después en materia de ruido, al punto que en algunos tambos no se logra determinar desde la sala de ordeñe si el motor se encuentra encendido o apagado.
Prolongación de la vida de la bomba de vacío
al trabajar mayormente a menor velocidad, se reduce su desgaste.
Presión de vacío estable
Un sistema VSD bien diseñado e instalado logra una mejor estabilidad de presión que el regulador convencional.
La tabla inferior muestra que esta medida ha sido sugerida al 42% de los más de 400 tambos de CONAPROLE auditados. Dado que el costo del equipo es bastante poco dependiente del tamaño de la bomba de vacío, el VSD se repaga más rápido si se utiliza en instalaciones grandes. Por esta razón, la medida ha sido recomendada al 68% de los tambos grandes auditados, y solo a 10% de los tambos chicos. En la tabla también se ven los
Tambos con esta sugerencia: 10%
En tambos “Pequeños”
ahorros mensuales promedio que se obtienen en Uruguay. El hecho de que el ahorro en los tambos chicos sea mayor se debe a que generalmente allí los motores están más sobredimensionados. Si bien se trata de un dispositivo que comenzó a incorporarse masivamente en Uruguay recién hace un par de años, hoy en día debería incluirse como estándar en toda nueva máquina de ordeñe. En relación a las máquinas existentes, importa resalta importa resaltar
42% Tamaño
33%
En tambos “Medianos”
68%
En tambos “Grandes”
que incorporar esta tecnología no requiere otras modificaciones en la sala de ordeñe, y que incluso existen algunas bombas de vacío convencionales a las que se puede agregar el variador. Además del importante ahorro de energía, esta tecnología disminuye significativamente el nivel de ruido (no “chupa aire”) y prolonga en forma importante la vida útil de la bomba, porque ésta opera con mucho menor exigencia durante la mayor parte del tiempo.
Ahorro
Ahorro de energía
$ por mes
% costo total
kWh por mes
% de la energía
Pequeño
1.330
14%
208
14%
Mediano
1.443
10%
293
12%
Grande
2.292
7%
570
9%
Promedio
1.953
8%
455
10%
Calculadoras En el sitio web del programa Tambo y Energía están disponibles varias calculadoras energéticas que permiten realizar una buena estimación de los ahorros (en energía y en dinero) que se obtienen al incorporar un variador de velocidad. www.energia.eleche.com.uy
Estudio del repago de un variador de velocidad 25
Gráfico 1
Repago (Años)
20
La duración del ordeñe en todos los casos se fijó en 2 hs.
19,4
15 160 vacas, repago en 5 años o menos 10
0
RS GS
4,8 4,2 3,9 3,4
Otro uso que se les puede dar a los variadores de velocidad en los tambos consiste en instalarlo en las bombas de leche para controlar el flujo hacia el tanque de frío. Esto tiene sentido en los casos donde se cuente con enfriadora de placas ya que el hecho de mantener el flujo
120
220
320
420
2,9
2,6
2,4
DHR 3,5
MC1
520
3
620
El repago depende fuertemente de dos parámetros: el tiempo de ordeñe y el precio de la energía utilizada para ordeñar. Cuanto más horas diarias se tenga la bomba de vacío prendida y cuanto más cara sea la energía utilizada, tanto más se justifica incorporar un variador de velocidad.
Para el caso de las tarifas mutlihorario, Doble Horario Residencial (DHR) y Medianos Consumidores 1(MC1 o triple horario) se estimó que los ordeñes se realizaban fuera del horario más caro, es decir, entre las 17hs y las 23hs para la tarifa DHR y entre las 18hs y las 22hs para la tarifa MC1. En el caso de contar con esas tarifas y realizar los ordeñes dentro de esos horarios el repago se hace más rápido. Un aspecto importante a destacar es que las tarifas planas, Residencial Simple (RS) y General Simple (GS) en todos los casos hacen que el precio que paga el productor por cada KWh consumido sea
mayor, por lo que los repagos se hacen más pequeños. Por otro lado vemos que para tambos más chicos (menores a 100 vacas) el repago se vuelve muy largocon tiempos de ordeñe del orden de dos horas, esto se debe a que los precios de los variadores son escalonados y no se dispone de precios convenientes para máquinas de ordeñe chicas. Por ejemplo, no es posible instalar un variador de velocidad en una bomba de vacío monofásica. De todas formas las auditorías energéticas son la mejor forma de identificar caso a caso la conveniencia o no de esta medida.
Flujo de leche (lt/s)
Número de vacas en ordeñe Veamos ahora un pequeño estudio sobre la conveniencia económica de este equipo. Si analizamos el repago de la inversión en función del número de vacas en ordeñe vemos que a partir de 160 vacas, independientemente de la tarifa eléctrica que tenga el tambo, la inversión se repaga a lo sumo en 5 años.
variador de velocidad es mantener el flujo de leche constante y para lograrlo, controla la velocidad de la bomba eléctrica, es decir que si el nivel sube mucho la bomba se acelerará, mientras que si baja, el variador reducirá la velocidad de giro de la bomba.
Gráfica 2 Flujo de leche con y sin variador de velocidad en la bomba de leche
Repago aceptable 20
de leche constate favorece el intercambio térmico entre la leche y el agua, mejorando el rendimiento de las placas enfriadoras. El funcionamiento se basa en regular el caudal bombeado en función del nivel de leche existente en el recibidor. El objetivo del
Tarifas:
9,7 6,5
5
Variador de velocidad en la bomba de leche
2,5 2 1,5 1 0,5 0 0
150
300 Tiempo (s)
Flujo sin VSD
Flujo con VSD
450
2
Realice un chequeo de su instalación en
Tambo y Energía A modo de ejemplo, en el grafico anterior se puede ver el flujo de leche en los dos escenarios. Si no se utiliza el variador (línea azul) la bomba se enciende cada vez que se supera cierto nivel de leche en el recibidor, la descarga en este caso
es rápida pero pulsada, mientras que si se utiliza un variador (línea verde) la descarga es prácticamente constante y suave, evitando entre otras cosas que se rompan los glóbulos grasos contenidos en la leche.
Además de proporcionar ahorros en el consumo del tanque de frío debido al mejor funcionamiento del intercambiador de placas, el variador también reduce el consumo de energía de la propia bomba de leche.
Fig. 4 Esquema de conexión de un variador de velocidad en una bomba de leche Consigna
VSD
Enfriadora de placas Entrada de leche
Salida de leche
Eficiencia Energética y Energías Renovables
Guía rápida para la detección de ineficiencias en el tambo
A continuación se presenta una serie de pautas que lo ayudarán a detectar posibles puntos de mejora de la eficiencia energética en el tambo y/o reducir el gasto $ en energía eléctrica. Para cada ítem marque con una cruz en la celda que corresponda (SI o NO). Al final del chequeo deberá repasar todos aquellos marcados X en NO, para detectar las mejoras a implementar.
SI 1
¿La relación entre el número de vacas en ordeñe y la cantidad de órganos está entre 10 y 15?
2
¿Su rutina de ordeñe dura menos de 2 horas?
3
¿Su bomba de vacío cuenta con un variador de velocidad?
4
¿Revisa periódicamente el estado y tensión de la correa de trasmisión de la bomba de vacío?
5
En caso de contar con enfriadora de placas, ¿su bomba de leche cuenta con variador de velocidad?
Sensor Recibidor
Bomba de leche
Salida de agua
Entrada de agua
minutos
REFERENCIAS 1. Variable Frequency Drives in Dairy Vacuum Milking Systems, Southern California Edison Design & Engineering Services, 1998. 2. Improving Dairy Shed Energy Efficiency, CAENZ, Ken Morison, Warren Gregory, Rowan Hooper, 2007. www.cowshed.org.nz 3. Energy Efficiency in Dairy Sheds, Case Study: Improving vacuum pump efficiency at Graejo Trust 2007, CAENZ. www.cowshed.org.nz
NO