Accionamientos de velocidad variable fundamentales para las ruedas térmicas de RainForest

Detrás de escena, se requiere mucha ingeniería mecánica para crear y mantener una selva tropical cerca del lago Erie, a solo 40 millas de la frontera con Canadá. Es una hazaña lograda por Cleveland (Ohio) Metroparks, una autoridad recreativa que ofrece un "collar de esmeraldas" de bosques, campos de golf, rutas de senderismo y otras atracciones que rodean esta ciudad del medio oeste, conocida tanto por sus equipos deportivos como por su categoría mundial. orquesta y Salón de la Fama del Rock 'n Roll. Sin la tecnología de HVAC de última generación, es dudoso que este hábitat tropical único, ubicado dentro del complejo del zoológico Cleveland Metroparks, pueda existir; y continúa beneficiándose de las mejoras de los equipos, como el diseño avanzado de motores y transmisiones.

Inaugurado en 1992, The RainForest en Cleveland Metroparks Zoo es una biosfera simulada con cúpula que contiene unos dos acres de plantas y vida silvestre, comparable a la que se encuentra en las selvas y selvas tropicales. Su sistema de tratamiento de aire, que incluye ruedas térmicas de media tonelada y motores y accionamientos ABB, conserva 18.000 libras de agua al día de la instalación transfiriendo la humedad al aire fresco seco entrante cada 2,5 horas.

RainForest en Cleveland Metroparks Zoo contiene dos acres de plantas y vida silvestre similar a la que se encuentra en las selvas tropicales de todo el mundo. Cada año, más de un millón de visitantes vienen a esta biosfera simulada, abovedada y de dos pisos para experimentar lo que es caminar por las regiones tropicales de América Central, África o Asia, y ver unos 600 animales en un entorno natural, incluidas aves, monos, reptiles y peces de colores que juegan en lagunas, pantanos y ríos cálidos.

Un entorno frágil en un clima accidentado
A pesar de los grandes cambios de temperatura y humedad en los Grandes Lagos, donde las tormentas "Alberta Clipper" pueden generar rápidamente temperaturas bajo cero en invierno, y los días de verano bañados por el sol superan los 90 grados Fahrenheit, los visitantes y habitantes de The RainForest disfrutan de una temperatura casi constante de 76 grados F y 76 por ciento de humedad. Esto se debe a un robusto sistema HVAC que ha evolucionado a lo largo de los años para incorporar componentes que han mejorado la confiabilidad del sistema en un 100 por ciento.

The RainForest, una inversión de $ 30 millones, no solo envuelve a los visitantes en un entorno exótico, sino que también sirve como un recordatorio de lo que se está perdiendo, a menos que se pueda proteger más selva tropical y áreas de selva del sobredesarrollo.

La aplicación de la rueda de calor es fundamental para el control constante de la temperatura y la humedad

Direct Air Systems Inc., con ubicaciones en Cleveland y Columbus, Ohio, trabajando en conjunto con Zesco Inc., especialistas en control de movimiento eléctrico-mecánico y con sede en Cleveland, brindan servicio de HVAC a The RainForest, así como a otros sitios locales notables. incluido el Salón de la Fama del Rock 'n Roll.

El RainForest tiene dos unidades de tratamiento de aire que son 100 por ciento de aire exterior. Para proporcionar y mantener condiciones ambientales óptimas para la instalación, Direct Air Systems instaló sistemas de ruedas de energía de SEMCO para las unidades, una de las cuales tiene una capacidad total de 60,000 pies cúbicos por minuto, que se usa principalmente para enfriamiento; mientras que la otra unidad, con una potencia nominal de 40.000 cfm, está equipada con un precalentador y una rejilla humidificadora. Ambas unidades tienen ruedas de calor desecante seco una al lado de la otra, de 10 pies de diámetro y 1,000 libras, que son necesarias para conservar 18,000 libras de agua todos los días, transfiriendo la humedad del aire de escape viciado de RainForest y dándola al exterior seco corriente de aire una vez cada 2,5 horas.

Se muestran dos ruedas de calor, de 10 pies de diámetro, que son los medios para mover la humedad y el calor de las instalaciones de RainForest y devolver el aire fresco. Se giran a una velocidad de siete a 18 veces por minuto, utilizando el control directo de par motor / variador ABB, que no requiere una caja de cambios. La eliminación de la caja de cambios mejoró enormemente la confiabilidad del sistema de manejo de aire.

El término "desecante" se refiere al material adherido a la superficie de las ruedas de calor que recoge la humedad, así como los olores, que luego se expulsan del edificio a través de la parte superior de las ruedas.

Las ruedas giran entre siete y 18 veces por minuto, según el nivel de humedad. El aire fresco, denominado "aire de proceso", se aspira en la parte inferior de los manipuladores de aire y se filtra a través de las ruedas.

La temperatura y la humedad del aire fresco son moderadas por la lenta revolución de las ruedas y el hecho de que la masa de las ruedas y la superficie desecante transfieren una parte del calor y la humedad acumulados en el interior. Los calentadores, cuando es necesario, calientan el aire antes de que pase al espacioso interior de The RainForest, que tiene más de 60 zonas de temperatura, incluidas las de oficinas, cafetería y tiendas de regalos.

Unidades de tratamiento de aire integradas en la instalación
En lugar de montarse en el techo y exponerse a los elementos, como se hace comúnmente con las unidades de tratamiento de aire, las que sirven a The RainForest están integradas en la instalación para mantener la eficiencia de la unidad que de otro modo se perdería en los cálidos veranos e inviernos fríos de Cleveland.

La eficiencia y la simplicidad distinguen el sistema
El proceso desecante se seleccionó tanto por su eficiencia como por su simplicidad. Se concluyó que las calderas, los conductos en Z, los tubos de calor u otros métodos no se comparaban con la eficiencia del 85 por ciento que proporcionan las ruedas de calor. Además, las ruedas térmicas son extremadamente sencillas de operar. El pensamiento era que cuanto más simple era el equipo mecánico fundamental, mayor era la confiabilidad y facilidad de mantenimiento. Ese resultó ser el caso, hasta cierto punto. Si bien la tecnología debería haber funcionado a la perfección, se desarrolló un problema persistente.

Cada rueda gira con una correa de 31 pies de largo fabricada a medida y, cuando se instaló por primera vez, estaba equipada con un motor eléctrico de CA de 1 caballo de fuerza nominal para 1,750 rpm y una caja de cambios mecánica para proporcionar una reducción de engranajes de 5:1.

En el momento de la instalación, esta era una configuración de equipo bastante común. Sin embargo, se descubrió que las cajas de cambios mecánicas utilizadas para The RainForest estaban fallando a un ritmo alarmante. Una vez al año había que cambiar una de las cajas de cambios. No había un patrón discernible que apuntara a una disposición particular de rueda y caja de cambios. Fue al azar. El único elemento constante en el problema era la falla rutinaria de una caja de cambios.

Finalmente se identificó la dificultad. Se ocupaba de las revoluciones por minuto. El ritmo era demasiado lento para que los sistemas de lubricación por salpicadura de las cajas de cambios se activaran correctamente. Como resultado, las piezas no se engrasaban adecuadamente y se desgastaban prematuramente.

Ruta hacia una solución
Dado que el uso de una caja de cambios era el enfoque común cuando se instalaron las ruedas térmicas, el problema no se consideró inicialmente como una selección de equipo, sino como un problema de aplicación. Cada instalación de rueda de calor está hecha a medida y tiene su propio conjunto de dinámicas con las que lidiar.

Las soluciones al problema incluían continuar con la práctica de simplemente reemplazar las cajas de cambios cuando fallaban; sin embargo, pronto se hizo evidente que esto era caro y algo impredecible.

También se consideró el uso de cajas de cambios que lubrican de manera diferente, así como la fabricación de cajas de cambios personalizadas específicas para la aplicación RainForest. A medida que se pensaba más en idear formas de manejar el problema de la lubricación, se concluyó que estas posibilidades estaban al borde de la experimentación. RainForest, con sus 600 habitantes animales, no era un buen candidato para correr tales riesgos, especialmente cuando se disponía de una solución más actualizada.

Con accionamientos, no se requieren cajas de cambios
Direct Air Systems pensó en sus experiencias con otras aplicaciones de HVAC y mencionó al equipo de mantenimiento del zoológico de Cleveland Metroparks una solución de variador de frecuencia / motor de CA que no requería cajas de cambios. Este se estaba convirtiendo en un arreglo cada vez más común y tenía un buen historial. También era tecnología de punta, alejándose de los problemas y complejidades que presentaban los mecanismos de piezas móviles.

"Cuando vimos que no estábamos llegando demasiado lejos con el problema de la lubricación de la caja de cambios, recurrimos al equipo que estaba disponible para nosotros, ahora", explicó Steve Snyder, presidente de Direct Air Systems. “El enfoque de torque directo que recomendamos fue algo que sería rentable, fácil de mantener y simple en su operación. La lubricación de engranajes no sería un problema. Además, el par directo es una ingeniería probada. Los Cleveland Metroparks buscaron ofertas para el proyecto, ya que es una agencia pública, y nuestra oferta fue seleccionada ”.

La actualización involucró la solución de control directo de par de ABB, que utiliza el par del motor de CA como elemento de control principal.

Los convertidores compactos ABB ACS 800, que forman parte de la solución de control directo de par de ABB, requieren un espacio mucho más pequeño que los modelos de convertidores anteriores. Esto es especialmente útil en áreas donde el espacio es limitado.

El motor de CA de 1 caballo de fuerza original y el equipo de la caja de cambios en cada uno de los sistemas de ruedas de energía fueron removidos y reemplazados por una combinación de motor de inducción de 5 caballos de fuerza ABB / variador de CA de bajo voltaje. Esta disposición permite que el motor se conecte directamente al motor / carga sin la necesidad de una caja de cambios o codificador de pulsos. La solución de ABB permite un par motor completo hasta la velocidad cero.

Mediante el uso de un algoritmo, los convertidores de frecuencia ABB, en este caso modelos ACS de velocidad variable, pueden funcionar sin un codificador para proporcionar retroalimentación de velocidad. El algoritmo permite al variador calcular el estado del par y el flujo del motor 40.000 veces por segundo. La eliminación del codificador reduce aún más el mantenimiento y disminuye el tiempo de inactividad.

Aunque cada sistema de rueda de energía está controlado por sistemas individuales de Johnson Controls, el estado de los motores y transmisiones es monitoreado por el completo sistema de administración de edificios Johnson Controls de RainForest.

En el caso de una falla de control, los convertidores de frecuencia ABB ACS están diseñados para ir, automáticamente, a una velocidad de rpm preestablecida, para garantizar que se mantenga la transferencia de calor. Los motores de repuesto están inventariados en The RainForest y los accionamientos se guardan en la ubicación de la oficina de Direct Air Systems, a minutos de las instalaciones.

Desde la instalación de la combinación de convertidores / motor de ABB hace más de cuatro años, no ha habido interrupciones en el servicio. Direct Air Systems está experimentando un uso cada vez mayor del control de par directo.

“Definitivamente es uno de los enfoques que recomendamos”, explica Snyder. “A menudo hay más de una forma de resolver un problema. En función de las circunstancias de este caso, el método de control directo del par resultó ser una buena solución. También lo hemos aplicado en otros proyectos. Tiene tres características que nos gustan. Es rentable, simple y confiable ".

Un modelo para salvar las selvas tropicales del mundo
A través de las contribuciones de los visitantes de The RainForest y los esfuerzos de otras organizaciones y gobiernos, ahora se protegen del sobredesarrollo cantidades limitadas de la escasa superficie de bosques tropicales y selvas. El apoyo continuo apartará aún más de esta valiosa tierra que no solo sirve como refugio de vida silvestre para plantas y animales nativos, sino que también mejora el medio ambiente de la Tierra al eliminar el dióxido de carbono de la atmósfera. Además, estas áreas protegidas están demostrando ser fuentes importantes para las medicinas milagrosas del mañana.

Más de un millón de personas al año visitan The RainForest, disfrutando de un ambiente casi constante de 76 grados F / 76 por ciento de humedad mantenido por el sistema de manejo de aire. Además de brindar entretenimiento y educación sobre biología, la otra misión de la instalación es recordar a los visitantes la necesidad de proteger las selvas tropicales nativas, que se estima que se pierden a razón de 1.5 acres por segundo debido a la deforestación.

Destacado en Animal Planet, The RainForest es una de varias atracciones en el zoológico Cleveland Metroparks, que cubre 168 acres y presenta la colección más grande de especies de primates en América del Norte entre sus 3,000 animales.

Acerca del autor:

ABB, Automation Products, Low-Voltage Drives, es el mayor fabricante mundial de motores y convertidores de frecuencia. En los EE. UU., Un canal integrado de representantes de ventas, distribuidores e integradores de sistemas permite a ABB, New Berlin, Wis., Suministrar una línea completa de accionamientos eléctricos, motores y sistemas de accionamiento diseñados de bajo consumo energético para una amplia gama de aplicaciones industriales y comerciales. clientes. Los productos fabricados incluyen accionamientos de velocidad variable de CA y CC para motores eléctricos de 1/8 a 135.000 caballos de fuerza y ​​soluciones de sistemas de accionamiento para aplicaciones específicas para satisfacer las diversas necesidades de los clientes. Para obtener más información, visite www.abb.us/drives.com.