Cuando la gente piensa en fábricas que sirven a todo tipo de industrias, a menudo piensa en máquinas robóticas, líneas de montaje, cintas transportadoras y una serie de movimientos perfectamente sincronizados que finalmente resultan en un producto terminado. Pero, ¿qué hace que esas máquinas funcionen como el funcionamiento interno de un buen reloj suizo? La respuesta en muchos casos es el aire comprimido, y actualizar los sistemas de compresores de aire puede ofrecer a una empresa oportunidades significativas de ahorro de costes y energía.
¿De qué va la compresión de aire?
Si alguna vez has tenido que “avivar” un fuego, entonces sabes lo que es la compresión de aire. Inhalas aire en tus pulmones y lo expulsas para aumentar la oxigenación en la fuente de fuego. Es un uso práctico de la compresión de aire, pero ni de lejos tan práctico como los fuelles estándar que se usaron por primera vez en los altos hornos.
Un fuelle fue un invento vital que nos permitió forzar el aire comprimido en un horno mucho más eficazmente que simplemente usar la energía pulmonar. Un fuelle funciona aspirando aire hacia una cámara, que se sella mediante una válvula antirretención cuando el fuelle se expande. Luego ese aire se exprime por una boquilla bajo presión y se dirige según se desee.
El uso de un fuelle permitía a los herreros crear fuegos mucho más calientes de lo que se podrían haber generado de otro modo. Esto llevó a una variedad de aplicaciones en metalurgia, ya que los incendios podían fundir metales importantes, como el cobre, el plomo y el hierro. Una vez fundidos, los metales podían moldearse en diferentes diseños funcionalmente útiles, como una moneda o una armadura.
No pasó mucho tiempo antes de que las máquinas nos ayudaran a comprimir el aire. En lugar de depender de la fuerza bruta humana para abrir y apretar un fuelle, la energía del vapor podría proporcionar la energía necesaria para comprimir el aire de forma mucho más eficiente.
Esto a su vez llevó directamente al uso de compresores de aire de tipo pistón, como los que se encuentran en los motores de gasolina. Los pistones son accionados por un motor de gasolina. El pistón se fuerza hacia abajo, aspirando aire exterior. El pistón se empuja hacia arriba, comprimiendo el aire en la cámara del pistón. Cuando se introduce en una mezcla de aire y combustible a alta presión y se activa con una chispa, se puede crear un dispositivo muy potente conocido en términos generales como motor de combustión interna.
Los compresores de aire son una parte vital de muchas aplicaciones industriales. Se utilizan en la fabricación de metales, operaciones mineras, ventilación de túneles, ferrocarriles, fabricación de componentes satélite y muchas otras formas. Es importante destacar que la tecnología moderna de compresores de aire ha mejorado enormemente respecto a los diseños anteriores. Esto ofrece muchas oportunidades para ahorrar costes significativos y lograr eficiencia energética.
Tipos básicos de compresores de aire
Es importante comprender los tipos básicos de compresores de aire antes de abordar varios casos de caso sobre oportunidades de ahorro de costes. Los compresores existen en dos tipos básicos: de desplazamiento positivo y rotodinámicos.
Los compresores de desplazamiento positivo actúan tanto como compresores alternativos como como compresores rotativos. Aquí puedes pensar en compresores de pistón o compresores de tornillo o paleta. Los compresores rotodinámicos utilizan fuerza centrífuga o flujo axial para comprimir el aire.
Se utilizan diferentes tipos de compresores de aire para distintas aplicaciones, dependiendo del tamaño requerido, la potencia requerida y, por supuesto, el coste.
Mayor eficiencia gracias a la tecnología de compresión de aire
Recientemente, nuevos diseños en varios compresores han reducido considerablemente el consumo energético. Por ejemplo, los primeros compresores de aire solían utilizar una compresión de carga/descarga. Esto requería volumen de receptor de almacenamiento, con la máquina funcionando a plena capacidad hasta alcanzar la presión de descarga. Después de eso, el compresor ventilaba hasta alcanzar un nivel de presión más bajo y entonces el ciclo se repetía.
Esta forma de control “bang-bang” es muy ineficiente en comparación con un control de desplazamiento variable (VDC). En VDC, la capacidad del compresor se ajusta abriendo y cerrando los puertos de la bomba. Algunas de estas máquinas de desplazamiento variable ofrecen cinco o más puntos de compresión (en lugar de todo o ninguno); Los diseños rotativos pueden ofrecer una capacidad ajustable de forma continua desde el 50 por ciento hasta el 100 por ciento.
Los compresores de variación de velocidad pueden proporcionar un ahorro energético del 35 por ciento respecto a los diseños de carga/descarga. Pero los diseños muy nuevos usan un motor y un tren motriz alineados verticalmente que comparten un solo eje de transmisión. Esto tiene la ventaja de tener una “huella” más pequeña. La herramienta puede operarse más cerca del punto de uso deseado. Todo esto contribuye a una tecnología de compresión de aire eficiente energéticamente.
Estudios de caso
Los estudios de caso ofrecen información sobre cómo se pueden actualizar equipos de compresión de aire obsoletos e poco fiables para lograr un ahorro significativo de energía y costes. A menudo, el coste de la mejora puede recuperarse en 12 a 24 meses, lo que hace que la inversión sea claramente beneficiosa para los resultados a largo plazo de la empresa. Aquí se presentan cuatro estudios de caso sobre ahorro de costes en la industria automovilística, la industria del acero, la producción de combustible nuclear y la producción de sistemas satelitales, que resultaron todos de un estudio sistemático de los problemas observados y la actualización de compresores de aire y sus sistemas de control para el propósito deseado.
Estudio de caso 1: Conducir a un ahorro mediante la mejora de los sistemas de control de aire comprimido
Michelin Norteamérica es un gran fabricante de neumáticos con planta de fabricación en Carolina del Sur. En el momento de este estudio de caso, unas 1.000 personas trabajaban en la planta para producir neumáticos de camiones y otras piezas de automóvil.
Los compresores de aire se utilizan ampliamente en la industria automovilística. Aquí se usaban para impulsar el proceso de producción, impulsados por cinco compresores centrífugos de 500 caballos de potencia.
Se identificó que la planta de Carolina del Sur tenía costes de energía atmosférica más altos que una planta similar en Canadá. Se realizó un estudio para determinar por qué ocurría esto. El estudio identificó problemas en la estrategia de control del compresor, caídas significativas de presión entre compresores y una alta tasa de fuga de aire que requería que los cinco compresores estuvieran operativos para proporcionar suficiente presión de aire a la planta.
La solución fue mejorar el sistema de control del compresor de aire, que a su vez mantenía una diferencia de presión adecuada entre los ajustes de presión del compresor. También se implementó un plan para reparar fugas rutinarias dos veces al año. En total, la mejora supuso un ahorro energético de unos 75.000 dólares al año, y el coste de la mejora se recuperó en unos 18 meses.
Estudio de caso 2: Los nuevos compresores centrífugos generan ahorros
U.S. Steel Group de Pittsburgh, Pensilvania, es el mayor productor de productos de acero en Estados Unidos. También es un actor importante en el sector del petróleo y el gas natural. Los compresores de aire desempeñan un papel vital en la industria del acero. En U.S. Steel Group, se han utilizado compresores de aire para alimentar dos altos hornos, la central eléctrica de la planta y la planta de oxígeno básico. Los compresores de aire han cubierto estas necesidades mediante actuadores neumáticos y cilindros accionados por pistón.
Antes de un estudio independiente para ver si una mejora podía mejorar el rendimiento, una planta de U.S. Steel se basaba en seis compresores rotativos de tornillo refrigerados por aire y aceite de 400 caballos de fuerza. Estos compresores eran antiguos, con fugas y fallaban con suficiente frecuencia como para que no se pudiera confiar en ellos para proporcionar la presión de aire necesaria para las operaciones de la planta.
Reparar los compresores iba a ser muy caro. Solucionar el problema de la fuga de aceite habría tenido múltiples beneficios. Las fugas eran tan graves que las máquinas tenían que ser relubricadas con frecuencia. El aceite conseguía contaminar secadoras y filtros, así que tampoco funcionaban bien.
La solución fue instalar dos nuevos compresores centrífugos de 600 caballos de potencia. Situados en el centro de la planta, podían cubrir fácilmente todas las demandas. Se mantuvieron algunos compresores de tornillo rotatorio con mejor rendimiento como respaldo para condiciones meteorológicas extremas. Además, se realizaron mejoras en el equipamiento de las secadoras.
Al final, los operadores de la planta lograron reducir los requisitos de presión del aire en aproximadamente un 20 por ciento, ahorrando energía y, en definitiva, unos 140.000 dólares en costes anuales. Además, se eliminaron más de 300.000 dólares en costes anuales de mantenimiento. El coste total de la revisión fue de 521.000 dólares, por lo que se recuperó en poco más de un año.
Estudio de caso 3: Los procesos nucleares se benefician de compresores de aire mejorados
La planta de BWX Technologies en Lynchburg, Virginia, produce componentes que contienen combustible nuclear para la Marina de los EE. UU. El combustible nuclear y las partes asociadas del reactor sirven a las unidades de propulsión de los buques de la Marina.
La planta depende del aire comprimido para recuperar uranio, tratar residuos y operar su taller mecánico, incluyendo tornos, rectificadoras y taladros. Además de las demandas de estas operaciones, las explosiones de vapor provocan picos intermitentes de demanda de aire comprimido en el sistema en general.
Antes de someterse a un estudio independiente para determinar la mejor manera de mejorar las operaciones, la planta se basaba en dos compresores centrífugos refrigerados por agua de 600 caballos de fuerza. Estos compresores debían funcionar a plena carga pero liberaban entre un tercio y dos tercios de su producción, desperdiciando energía que se iba a la atmósfera.
El resultado del estudio fue actualizar a compresores de aire más pequeños y eficientes. Se instalaron tres compresores de tornillo rotatorios refrigerados por aire de 350 caballos de potencia, junto con otros equipos. Combinado con una distribución de fábrica rediseñada que incluía una sala especial de intercambio de calor para maximizar la eficiencia en verano e invierno, el resultado supuso un ahorro anual de 4,2 millones de kWh, o unos 146.000 dólares. Además, se ahorraron 111.000 dólares anuales en costes de dispensador de agua y también hubo menores costes de mantenimiento.
Estudio de caso 4: Mejorar la compresión de aire ahorra dinero en sistemas satelitales
Boeing Satellite Systems, anteriormente conocida como Hughes Space & Communications Company, fabrica sistemas que se colocan en satélites orbitando la Tierra. Esto requiere un alto grado de automatización precisa y un entorno de fabricación único. Los compresores de aire en el espacio y el desarrollo de sistemas satelitales desempeñan funciones clave.
En la planta de Boeing, los compresores de aire suministraban aire para máquinas que utilizaban globos para generar movimiento sin vibraciones de los componentes del satélite. Para lograrlo, las máquinas debían recibir una presión constante y constante. Boeing tenía el problema de que las presiones inestables se generaban por dos compresores de tornillo rotatorio de 200 caballos de potencia.
La inestabilidad era causada por interrupciones intermitentes en el flujo de aire, que provocaban posibles apagados de la máquina. Además, aproximadamente el 25% de la salida del sistema era aire filtrado.
Un estudio sistemático del área de producción identificó la oportunidad de instalar un nuevo controlador de presión/flujo (P/FL) con almacenamiento adicional. El almacenamiento extra se utilizaba para mantener un flujo constante. Simultáneamente, los esfuerzos para reparar las fugas en el sistema redujeron las fugas al 10%. Además se mejoraron otros equipos.
El resultado fue un ahorro energético de 289.000 kWh al año al hacer funcionar solo uno de los dos compresores de aire, que se volvió más que suficiente para realizar todo el trabajo. El ahorro anual de costes es de unos 26.000 dólares y el coste de inversión se recuperó en menos de dos años.
Compresores de aire en el negocio ferroviario
Los estudios de caso detallados anteriormente sugieren que los compresores de aire son componentes vitales de una gran variedad de industrias. Centrémonos más intensamente en una industria más: el transporte ferroviario. Los compresores de aire son componentes clave en los sistemas de seguridad ferroviaria de pasajeros.
Por ejemplo, los trenes de pasajeros utilizan aire comprimido para sus sistemas de frenos y suspensión. Estos son sistemas críticos para la seguridad de los pasajeros, y hay muchas consideraciones de diseño de ingeniería que deben tenerse en cuenta al determinar los mejores compresores de aire para el trabajo.
Un avance temprano en el diseño de compresión de aire ferroviario
Los trenes actuales utilizan un sistema de frenos que se remonta a mediados del siglo XIX y una patente de George Westinghouse. Antes de la invención de Westinghouse, se usaban frenos de aire rectos para empujar aire sobre un pistón que se conectaba a las zapatas de freno del tren. Las zapatillas se empujaban contra las ruedas del tren, haciendo que el tren frenara.
La dificultad del sistema de freno neumático recto es que está sujeto a un único punto de fallo. Si se produce alguna separación entre mangueras y tuberías, se pierde la presión del aire y se frena ineficaz.
Westinghouse rediseñó el sistema de frenos para tener depósitos de aire separados y una válvula de control que puede cargar aire en un depósito de aire, aplicar los frenos y liberar los frenos. La válvula de control se conoce como “válvula triple” para estas tres funciones.
El uso de depósitos de aire significa que si la presión en la línea principal es menor que la de un depósito, el aire del depósito se bombea al sistema de frenos, o más propiamente al cilindro de freno. Una vez que la presión en el cilindro iguala la presión en el depósito, la válvula de control mantiene una presión constante. También gestiona la situación inversa cuando la presión en el cilindro supera la presión en el depósito.
Es importante destacar que el sistema de Westinghouse se basa en una reducción de la presión del aire en la línea principal para aplicar los frenos del tren. Esto convierte la frenada en un sistema de seguridad: cualquier pérdida de presión del sistema provoca que se apliquen los frenos, deteniendo finalmente el tren.
Criterios de diseño
Algunos de los criterios de diseño para compresores de aire en sistemas ferroviarios de pasajeros incluyen las condiciones ambientales en las que circularán los trenes. La temperatura y la humedad suelen incluirse en una especificación técnica. Además, los sistemas deben ser estables y fiables. Se estima un “ciclo de trabajo” para el equipo y se tienen en cuenta los requisitos del sistema de frenos, así como de sistemas secundarios como los muelles neumáticos y la puerta, en el diseño general.
Los compresores de aire en los trenes de pasajeros están controlados por sofisticados sistemas de control por software. Mantienen la presión del aire en un depósito principal de suministro. Para controlar esta presión de aire, los compresores de los trenes suelen estar configurados para funcionar con un ciclo de trabajo del 50% cada día.
Examinemos un caso de estudio adicional sobre cómo la actualización de los sistemas de aire comprimido en vagones de pasajeros puede suponer un ahorro significativo de costes.
Estudio de caso 5: Quincy y sistemas de aire comprimido en vagones ferroviarios del CN
Los trabajadores del depósito de Mays sufrían averías en sus equipos ferroviarios. Las averías provocaban reparaciones costosas y tiempos de inactividad. El principal problema era el equipo anticuado que se estaba revisando en el patio.
Los equipos antiguos requieren más electricidad para funcionar y, cuando fallan los sistemas de carga, se utilizan locomotoras como generadores para cargar los sistemas de frenos. Esto funciona, pero añade un desgaste adicional a las locomotoras y también consume más combustible, hasta 20 galones extra por hora. Es una solución costosa.
Mays Yard descubrió que un antiguo sistema de compresores de aire era el principal culpable de sus problemas. Sustituyeron el sistema antiguo por un compresor de aire Quincy QGV-50 de tornillo rotatorio de velocidad variable. El sistema más moderno ahorra unos 30.000 dólares al año en costes energéticos y puede ofrecer aire seco de alta calidad incluso en las vías del norte durante el invierno helado.
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