Los compresores de aire se utilizan generalmente para aplicaciones pesadas que exigen un rendimiento óptimo y la máxima potencia en todo momento. En el transcurso de un año normal, el ajetreo diario que soporta una máquina determinada puede pasar factura a algo más que a los mecanismos y circuitos. Para los operadores, los gastos derivados de los sistemas de aire comprimido pueden representar una parte significativa de los gastos generales de la empresa. Por lo tanto, es fundamental que los sistemas que utilizan aire comprimido funcionen de la forma más eficiente posible, con el menor consumo de energía posible. Todo esto lleva a la pregunta: ¿Es posible alcanzar la perfección en aire comprimido?
A decir verdad, "perfección" es una palabra muy fuerte para referirse a la calidad del aire que sale de un compresor de aire. En términos de relación potencia-producción, el rendimiento de un compresor de tornillo rotativo que funcione de forma óptima y esté suficientemente lubricado suele ser el siguiente:
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5 kW de potencia = 100 cfm de aire comprimido a 100 pi
La parte de secado por aire de este proceso supone otros 0,5 kW = 100 cfm.
En cuanto el aire comprimido llega a su destino final, se convierte en una forma de energía que se utiliza para accionar equipos mecánicos. Un ejemplo de este proceso en acción es la función de un motor neumático de paletas rotativas, que podría utilizarse para accionar una mezcladora neumática de pintura en las fábricas, donde la relación aire/potencia sería la siguiente:
60 cfm de aire comprimido = 1 kW en el eje del motor
Si nos guiáramos por los términos del propio compresor de aire, esto equivaldría a 1,7 kW de potencia del motor por cada 100 cfm de aire que consume el compresor durante todo el proceso. En la práctica, sin embargo, esto equivale aproximadamente a 10,3 kW de potencia de entrada del compresor por cada kilovatio de salida del motor neumático. En otras palabras, incluso sin los factores de fugas y diferenciales de presión, la mayor eficiencia energética concebible durante el proceso de conversión es algo inferior al 10%.
¿Qué pasa con la energía?
Muchos usuarios se sorprenden por la escasa conversión de energía y se preguntan qué ocurre realmente con el resto de la energía. Sin embargo, como resulta evidente en cualquier sala de compresores, el calor es la principal salida de una unidad de compresión. Por lo tanto, la mayor parte de la energía que entra en dicha maquinaria se convierte en calor. Matemáticamente, la relación se explica de la siguiente manera:
1 CV = 2.545 BTU/h = 0,746 kW
Para echar otro vistazo a un sistema imperfecto pero realista, imagina que tienes la siguiente configuración:
- Un sistema de compresores de aire formado por un trío de máquinas de tornillo lubricadas de 150 CV.
- Cada compresor utiliza su propio secador de aire refrigerado y filtrado.
- El sistema está equipado con 1.400 galones de almacenamiento, o dos galones por cfm.
- Los compresores funcionan en modo carga/descarga: Banda de presión de 10 psi por compresor y cinco psi entre cada paso.
- Dos de los compresores funcionan regularmente y el tercero sirve de reserva.
- Los compresores y secadores disponen de purgadores de condensados temporizados.
La eficiencia de conversión de este sistema sería probablemente la siguiente durante un turno normal en una planta de prensado:
Si el aire de cada compresor pasa por un filtro de partículas independiente, un filtro coalescente y un secador de aire refrigerado no cíclico, los resultados una vez que el aire postfiltrado de los tres depósitos se canaliza conjuntamente a través de un depósito seco de 700 galones serían los siguientes:
Eficacia frente a residuos del sistema medio de aire comprimido
Según la información recopilada por Compressed Air Challenge, sólo la mitad de todo el aire comprimido que producen las máquinas en las plantas de prensado se destina realmente al uso previsto. La otra mitad corre mayoritariamente la siguiente suerte:
- Entre 1/4 y 1/3 del aire comprimido acaba filtrándose del sistema antes de llegar a la punta de una herramienta neumática.
- Aproximadamente 1/8 del aire comprimido se desperdicia en las puntas de las herramientas debido a la cantidad de presión de la máquina, que a menudo puede superar la cantidad necesaria para la aplicación en cuestión.
Las cantidades restantes de aire comprimido que aparentemente se desperdician lo hacen por una razón: El aire se utiliza para funciones internas del propio sistema. Un ejemplo de uso internalizado sería la función de los drenajes de condensado, que particionan ciertas cantidades de aire comprimido para la limpieza de la cubeta del separador. Además, el aire puede consumirse cuando el compresor se deja al ralentí entre aplicaciones. El gráfico circular de uso general se divide aproximadamente como sigue:
Según los estudios realizados por los fabricantes de compresores, casi dos tercios (65%) de los sistemas industriales utilizan un perfil de carga 24/7, en el que el aire se comprime a altas velocidades durante turnos de 16 horas los días laborables, pero más despacio durante la noche y los fines de semana. Para un compresor de aire de 700 cfm que consume 126 kW a 125 psi, el programa típico a lo largo de un año da como resultado el siguiente consumo anual de energía:
- días laborables/horas normales: dos compresores | 4.100 h | 1.000 cfm | 115 psi | 202,3 kW | 16,2 kW secador = 895.850 kWh
- días laborables/noche: un compresor | 2.000 h | 530 cfm | 120 psi | 113,0 kW | 16,2 kW secador = 258.400 kWh
- fines de semana/vacaciones: un compresor | 2.660 h | 370 cfm | 120 psi | 95,8 kW | 16,2 kW secador = 297.920 kWh
En total, el consumo eléctrico anual es de aproximadamente 8.760 horas a 701 cfm y 165,8 kW. A un coste de 10 céntimos por kWh, este sistema supondría 145.220 dólares en facturas eléctricas anuales. Dado que sólo la mitad del aire comprimido se utiliza para lo previsto, hay que admitir que se consume mucho dinero no por el objetivo final de suministrar potencia neumática, sino por la mera capacidad de suministrar dicha potencia.
¿Es la perfección un objetivo realista?
La pregunta persiste: ¿Es posible alcanzar la perfección con un compresor de aire? Sin duda, puede alcanzarse, siempre que los procesos que ayudan a obtener aire comprimido se gestionen con eficiencia. En resumen, los gastos asociados al funcionamiento de un compresor de aire pueden reducirse de dos maneras:
- Mayor eficacia de la producción de aire
- Reducción de los niveles de aire comprimido
En algunos círculos, incluso se ha sugerido que el calor de compresión podría utilizarse para reducir los costes de explotación compensando la necesidad de calor en otras áreas.
Cómo producir aire comprimido con mayor eficacia
Dependiendo de cómo se opere el compresor de aire y el equipo relacionado, se puede aumentar la eficiencia durante todo el proceso. Con los siguientes pasos, se puede alcanzar el objetivo de una mayor eficiencia y un menor consumo de energía:
- Elija compresores de aire con especificaciones de potencia inferiores.
- Programe compresores con tiempos de funcionamiento reducidos y menor presión de descarga y reserve las máquinas más eficientes para las horas de mayor actividad del día.
- Bajar el nivel de descarga del compresor para reducir la presión asociada a los diferenciales de aire-secador, tuberías y filtros.
- Seleccione tuberías, accesorios, mangueras, conectores y equipos de acondicionamiento que ofrezcan la menor cantidad de restricción de flujo, a fin de reducir la presión de descarga.
- Seleccione receptores de almacenamiento con mayor capacidad, que permiten una mayor eficiencia en modo de funcionamiento y conservación durante las horas de inactividad.
- Elija componentes de secado por aire que consuman menos energía automáticamente durante las operaciones lentas y se apaguen por completo durante las horas de inactividad.
- Desconecte la alimentación del compresor cuando el sistema no esté en uso.
- Elimine diariamente la condensación y las fugas.
- Aplicar controles a la presión y el caudal de la planta.
Cómo hacer un uso más eficiente y menos derrochador del aire comprimido
Aprender a hacer un uso más eficiente de un compresor de aire es sólo una parte de lo que se necesita para alcanzar la perfección en aire comprimido: aprender a utilizar menos aire también es importante. Hay muchas maneras diferentes de hacerlo, por ejemplo:
- Iniciar un método para detener las fugas: reducir las fugas al cinco por ciento del flujo de aire total.
- Examinar cómo se utiliza el aire comprimido en cada nivel de intensidad para determinar si el nivel de consumo es proporcional a las necesidades de la aplicación.
- Detener cualquier aplicación que pudiera realizarse más eficazmente con herramientas eléctricas o manuales.
- Retirar diariamente el drenaje de las bandejas filtrantes.
- Reparar o sustituir herramientas neumáticas o máquinas que hacen que los niveles de presión del compresor de aire se catapulten a niveles de derroche. Ajuste el límite de presión general a 90 psi.
- Instalar válvulas de cierre para que el flujo de aire se detenga al final de cada turno de producción. Mantener el flujo de aire aislado de las zonas de equipos durante las horas de inactividad.
Ejemplo de sistema optimizado
Con el sistema de aire comprimido medio descrito anteriormente en este artículo, la eficiencia podría mejorarse con algunos ajustes de elección, como se indica en los pasos siguientes:
- Reduzca los usos finales derrochadores a 25 cfm.
- Reducir las fugas del sistema al 5%.
- Optimizar las tuberías principales y de distribución.
- Reducir la presión de la planta a 90 psi - esto puede lograrse con una selección más discriminada de los componentes de suministro final.
- Reduzca la descarga del compresor a 100 psi. Los secadores de aire optimizados y los filtros diferenciales lo hacen posible.
- Instale unidades de ciclado con tamaños adecuados para cada compresor de aire. De este modo, los secadores de aire consumen menos.
Desde el punto de vista de la producción, el nuevo sistema mejorado de aire comprimido arrojaría aproximadamente los siguientes resultados anuales:
En total, el consumo eléctrico anual sería de unas 8.760 horas con una media ponderada de 336 cfm y 58,6 kW. En cuanto a los costes eléctricos, este sistema mejorado reduciría la factura energética en un 65%, lo que supondría un ahorro anual de 93.830 dólares. La potencia exacta del sistema se situaría en torno a 17,4 kW/100 cfm. Al reducirse la proporción de residuos del 50% al 10%, las funciones internalizadas, como el motor del mezclador de aire, funcionarían con índices de uso más eficientes.
Todo esto plantea una pregunta: ¿Pueden conseguirse estos resultados en una instalación industrial media? La respuesta es sí, siempre que la eficiencia del sistema sea una de las principales prioridades de los operadores de compresores de aire.
Los cálculos, tanto para el sistema medio como para el optimizado, se determinaron basándose en un funcionamiento típico de carga/descarga. Sin embargo, muchos sistemas de aire comprimido utilizan configuraciones con una eficiencia aún menor, con varios compresores extraños funcionando simultáneamente y causando resultados de potencia desfavorables. En algunos sistemas mal organizados, los resultados de potencia han sido tan ridículamente sesgados como 200 kW/100 cfm, con un factor de desperdicio global superior al 75%. Cuando un sistema produce cifras de potencia con ese nivel de ineficacia y despilfarro, existe un margen de mejora enorme que puede lograrse siempre que los operarios se comprometan a dar la vuelta a esas cifras.
¿Cómo de perfecto es su sistema de aire comprimido?
Al observar las cifras de potencia del sistema optimizado, es posible que tenga curiosidad por saber cómo se comporta su sistema en términos de eficiencia, en cuyo caso lo primero que debe hacer es evaluar su sistema. Para ello, puede utilizar instrumentos que medirán y calcularán sus cifras de potencia de forma continua para realizar un seguimiento del patrón general y los promedios. Sin embargo, antes de dar ese paso, sería más prudente que un auditor profesional evaluara la eficiencia general de su sistema de aire comprimido. La perfección puede parecer un sueño hecho realidad, pero apuntar lo más alto posible puede suponer un gran ahorro y una mejor comprensión de la mejor manera de utilizar un compresor de aire.
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