El Departamento de Energía de EE. UU. estima que una instalación industrial típica utiliza alrededor del 10 por ciento de su consumo eléctrico en compresión de aire. Esto convierte el aire comprimido en un gasto importante en Estados Unidos. La pérdida de presión representa dinero perdido. Los sistemas ineficientes en producción reducen los beneficios e incluso pueden amenazar la viabilidad financiera continua del negocio. En estos tiempos de competencia de precios despiadada, los fabricantes no pueden permitirse pasar por alto los costes no deseados. Descubre cómo detectar una caída de presión en el sistema de aire comprimido y cómo gestionarla.
Todo sobre la presión
La presión es una medida de la fuerza por unidad de área. En resumen, la presión se acumula cuando se hace que más gas, líquido o sólido ocupe un espacio finito. La única forma de que se pueda aumentar la cantidad ocupe un área restringida es forzando su entrada. Tienes que mantener esa fuerza para contener la cantidad de gas en su cámara. Si liberas la fuerza, la masa de gas escapará.
La fuerza también la proporcionan las paredes de la cámara en la que se retiene el gas. Si la resistencia de esas paredes cede, la fuerza aplicada para mantener el gas en su lugar solo lo empujará a través de las grietas o grietas en las paredes del contenedor. Así, la resistencia de la cámara que mantiene el gas bajo presión contribuye a la fuerza que mantiene la presión.
Aunque la mayoría de los científicos e ingenieros se refieren a “gas”, no se refieren a la gasolina ni al propano. El gas es una propiedad de algunas sustancias en la naturaleza. El aire se define como un gas, en contraposición a un líquido o un sólido.
Aplicar fuerza para acumular y mantener la presión requiere energía. El propósito de los sistemas de aire comprimido es transferir energía de un punto a otro. La energía aplicada por un compresor de aire está pensada para usarse en un lugar conectado. El extremo del aire comprimido lo libera para accionar un mecanismo, como un pistón o un pulverizador de pintura.
Una caída de presión no siempre es inesperada, pero sí no deseada. Existen dos tipos de caídas de presión: naturales y no intencionadas.
Factores de diseño
Las caídas de presión en los sistemas de aire comprimido suelen deberse al diseño de la red que distribuye el aire. La presión es una propiedad mecánica definida en la física. A menudo, los responsables de fábrica y taller no calculan ni instalan el sistema óptimo para entregar la fuerza generada necesaria por cada estación de trabajo. Las instalaciones mal planificadas resultan de decisiones de compra apresuradas y de una apresurada para instalar.
Incluso el sistema de aire comprimido más eficiente perderá algo de presión. El Departamento de Energía aconseja que un sistema correctamente diseñado debería tener una pérdida de presión mucho menor al 10 por ciento desde la descarga del compresor hasta el punto de uso. Sin embargo, nadie espera que un sistema de aire comprimido no tenga caída alguna.
La razón de esto es que la presión se produce en la cámara de un compresor de aire porque se fuerza a entrar más aire del que normalmente ocuparía el espacio. Cuando conectas una tubería a esa cámara, efectivamente aumentas el espacio disponible. La presión entonces disminuye de forma natural porque la misma cantidad de fuerza se aplica a una mayor capacidad de contención. Añadir más tuberías proporcionará más volumen, así que la presión bajará a menos que también aumentes la fuerza.
Se tarda un tiempo en calcular la cantidad de presión necesaria en todos los puntos de uso final alrededor del taller. Simplemente sumar todo ese consumo y esperar que el compresor produzca esa cantidad pasa por alto la caída natural que ocurre en las tuberías.
La ecuación estándar de caída de presión en aire comprimido para calcular la probable diferencia de presión entre el compresor y el usuario se denomina la “fórmula empírica”. Esta fórmula es:
dp = 7,57 q1,85 L 104 / (d5 p)
Los factores representados por las letras en esa fórmula son los siguientes:
- DP es la caída de presión medida en kg/cm 2
- q es el volumen de aire en condiciones atmosféricas medido en m3/min
- L representa la longitud de la tubería medida en metros (m)
- d es el diámetro interior de la tubería medido en milímetros (mm)
- p muestra la presión absoluta inicial en el sistema medida en (kg/cm2). Esta es la clasificación de tu compresor, que da la presión esperada en su válvula de salida.
Esta es una fórmula complicada y muchos directivos de fábrica la encuentran desagradable. La solución estándar es simplemente aumentar la presión en el compresor hasta que el equipo de uso final reciba suficiente fuerza. Sin embargo, esta estrategia es un derroche y es la principal causa del uso ineficiente de la energía en los sistemas de aire comprimido.
Problemas de distribución
La fórmula empírica parece complicada, pero, en realidad, está simplificada porque sus resultados muestran un cálculo basado en tubería recta desde el compresor hasta la salida y no tiene en cuenta las curvas. El interior de la tubería también puede reducir el flujo, lo que es otra forma de decir reducir la presión. La disposición y las propiedades superficiales interiores de las tuberías introducen turbulencia.
A veces se puede ver el aire con fuerza del viento a lo largo de una calle cuando el movimiento de aire pasa por una zona polvorienta. A veces el polvo simplemente fluye en línea recta, pero a menudo remolina y gira. Podrías imaginar que el aire simplemente se empuja por una tubería como una masa de pasta de dientes y no tiene otra dirección que hacia adelante. Esto a menudo no es así.
La fuerza en el compresor proporciona potencia para mover el aire. El camino más eficiente para ese movimiento es en línea recta. Sin embargo, si las curvas y los golpes en la tubería hacen que el aire se agite y rebote, ese movimiento gasta energía para viajar en direcciones tangenciales. Esto introduce un desperdicio de energía en el sistema mediante una dirección inesperada y movimientos improductivos.
La dirección del flujo es difícil de medir en sistemas reales de aire comprimido. De nuevo, es algo que los responsables de instalaciones prefieren pasar por alto. Si el aire fluye en línea recta o no está determinado por un factor llamado número de Reynolds. Ese factor se deriva mediante la fórmula:
Re = ρvd/μ
Los significados de estos símbolos son los siguientes:
- Re es el número de Reynolds.
- ρ es la densidad del aire.
- v es la velocidad media.
- D es el diámetro del tubo.
- μ es la viscosidad dinámica.
Una vez que tienes el número de Reynolds, puedes decidir si el flujo de aire es eficiente. El aire que fluye en línea recta se llama “flujo laminar”. Cuando el aire sigue un camino enrevesado, está en un “flujo turbulento”. Puedes etiquetar tu flujo como laminar si tus observaciones resultaron en un número de Reynolds inferior a 2300. Si es mayor a 3000, tienes flujo turbulento.
Quizá decidas saltarte el esfuerzo de calcular el número de Reynolds y simplemente subir el compresor. Este es un error común y genera mucha más ineficiencia en el consumo de energía. Esto se debe a que la turbulencia crea resistencia en el flujo. La resistencia ralentiza el caudal y provoca una caída de presión.
Probablemente pienses que aumentar la presión en tu sistema de tuberías atravesará el aire a mayor velocidad y superará la turbulencia. Ocurre lo contrario. Una presión más alta en realidad aumenta la turbulencia, por lo que superar el problema por la fuerza bruta no es una opción viable.
Obstrucciones
Otra fuente importante de resistencia como causa de caída de presión es un bloqueo. Es poco probable que alguna de tus tuberías se bloquee por completo, porque eso provocaría una acumulación de presión incontrolable, provocando que parte del sistema se rompa. Es más probable que tengas obstrucciones parciales. Estos bloqueos ralentizan el caudal dentro de tu sistema y hacen que la presión disminuya. La presión aumentará delante del bloqueo, lo que facilita la detección de este tipo de resistencia.
Las mayores fuentes de bloqueo en tu sistema son las que están integradas. Probablemente tengas conexiones de tubería por todo el sistema. Si están atornillados o soldados, puede que el metal se infiltre en el interior de la tubería, reduciendo su diámetro en un punto concreto. Esto crea un tipo de control de flujo, similar a una válvula. Las válvulas que instalas en tu sistema son otra forma intencionada de obstrucción. Los equipos de monitorización, como manómetros y sensores en línea, también reducen el volumen de la tubería en ciertos puntos.
La caída de presión causada por fijaciones, válvulas y sensores es constante y no provoca cambios bruscos de presión. De hecho, puede que ni siquiera te des cuenta de que esos dispositivos generan puntos de restricción que influyen en tu caudal. Sin embargo, una razón importante para la reducción progresiva del rendimiento es otro dispositivo que probablemente tengas muchas instancias en toda tu red de aire: los filtros. Los filtros de aire están ahí para eliminar partículas en tu flujo de aire y, en teoría, facilitar la velocidad de transferencia. Sin embargo, a medida que las partículas se acumulan en la superficie del filtro, hay cada vez menos espacios para dejar pasar el aire.
Incluso un filtro de aire limpio crea una pequeña resistencia. Sin embargo, los filtros obstruidos provocarán una resistencia notable y una caída de presión que empeorarán con el tiempo.
Caída de presión causada por caídas reales de presión
Los responsables de producción que operan sistemas de aire comprimido ineficientes están sometidos a sus propias formas de presión: limitaciones de tiempo y coste. Cada 1 PSI de presión de funcionamiento excesiva aumenta el consumo de potencia del compresor de aire en aproximadamente un 0,5 por ciento. Así que, tomar medidas de emergencia sin examinar tu distribución actual solo empeorará el coste y el rendimiento de producción.
Las caídas de presión reducen la cantidad de fuerza disponible en los puntos de uso. Ralentizan las operaciones y aumentan los costes. La rapidez mental y las acciones de emergencia suelen ser consecuencia de la presión sobre el responsable. En estos casos, la solución instantánea es simplemente aumentar los compresores a plena capacidad para proporcionar suficiente presión en los puntos finales del sistema. Esta es una tarea contraproducente e incluso puede conllevar el gasto innecesario de comprar e instalar compresores adicionales.
Sobrecargar un sistema sin monitorizar los niveles de presión durante todo el proceso provocará que los componentes aguas arriba fallen. Los puntos más vulnerables de tu sistema son los conectores entre diferentes componentes — estos se mantienen mediante válvulas y contactos roscados que se mantienen herméticos mediante sellos. Aumentar la presión para obtener una entrega suficiente al final de una línea de flujo larga requerirá una presión excesiva en las primeras etapas del sistema. Tus juntas y juntas también se desgastarán más rápido de lo previsto y las uniones atornilladas se deslizarán por la rosca.
Hacer soplar componentes provoca fugas. Probablemente pienses que las fugas causaron la caída de presión. Probablemente no lo hicieron. Probablemente fueron los manómetros inapropiados de las tuberías, los tramos sobreextendidos, las curvas, las irregularidades en el interior, los atascos y los filtros sucios. Las fugas resultaban de una sobrecarga, que era una reacción a una caída de presión inaceptable. Si solo buscas fugas, buscas los síntomas de los problemas de tu sistema de aire comprimido, no la causa. Detectar fugas proporcionará evidencia de fallo. Cámbialos, pero luego pasa a planificar una solución a largo plazo y rentable para tus dolores de cabeza por caída de presión.
Soluciones
Cuando estás bajo presión, cometes errores. Así que la primera solución a las caídas inesperadas de presión en tu sistema de aire comprimido es mantener la calma y comprometerte a ti mismo a no aumentar la presión del compresor hasta que hayas investigado completamente la causa del problema. Aumentar la fuerza en tu sistema solo provocará fugas y empeorará la situación.
Considera un enfoque cronometrado para resolver el problema general:
- A corto plazo: Revisa todos los sellos y conectores de tu sistema por si hay fugas. Limpia o cambia todos los filtros y baja los puntos de ajuste de presión en tus compresores.
- Medio plazo: Coloca monitores de presión en varios puntos de tu sistema, especialmente antes y después de cada dispositivo. Comprueba caídas inusuales de presión en el sistema. Establezcan revisiones regulares de mantenimiento.
- A largo plazo: Dibuja un plano de tu sistema y reorganiza el taller para reducir los recorridos de tuberías. Elimina todas las curvas y sustituye las tuberías que presenten caídas de presión desproporcionadas.
Por encima de todo, debes darte cuenta de que tus caídas de presión cuestan dinero y que superar este problema puede cambiar tu empresa. Perder dinero por un consumo excesivo de energía solo hará que tu producción sea poco competitiva. Conseguir que el sistema de aire comprimido más eficiente funcione para ti te permitirá aumentar la eficiencia para superar a tus competidores, situándote por delante del resto.
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