El Departamento de Energía de EE.UU. calcula que una instalación industrial típica destina aproximadamente el 10% de su consumo eléctrico a la compresión de aire. Esto convierte al aire comprimido en un gasto importante en Estados Unidos. La pérdida de presión representa dinero perdido. Los sistemas ineficaces en la producción reducen los beneficios y pueden llegar a amenazar la viabilidad financiera de la empresa. En estos días de competencia despiadada por los precios, los fabricantes no pueden permitirse pasar por alto los costes imprevistos. Descubra cómo detectar una caída de presión en un sistema de aire comprimido y cómo solucionarla.
Todo sobre la presión
La presión es una medida de fuerza por unidad de superficie. En pocas palabras, la presión aumenta cuando se hace que más cantidad de un gas, líquido o sólido ocupe un espacio finito. La única forma de hacer que esa mayor cantidad ocupe un área restringida es forzándola. Hay que mantener esa fuerza para contener la cantidad de gas en su cámara. Si se libera la fuerza, la masa de gas escapará.
La fuerza también la proporcionan las paredes de la cámara en la que se encuentra el gas. Si la resistencia de esas paredes cede, la fuerza aplicada para mantener el gas en su lugar simplemente lo empujará a través de las fisuras o grietas de las paredes del recipiente. Así pues, la resistencia de la cámara que contiene el gas a presión contribuye a la fuerza que mantiene la presión.
Aunque la mayoría de los científicos e ingenieros se refieren al "gas", no están hablando de gasolina o propano. El gas es una propiedad de algunas sustancias de la naturaleza. El aire se define como un gas, a diferencia de un líquido o un sólido.
Aplicar fuerza para crear y mantener la presión requiere energía. La finalidad de los sistemas de aire comprimido es transferir energía de un punto a otro. La energía aplicada por un compresor de aire está destinada a utilizarse en un lugar conectado. El punto final del aire comprimido la libera para accionar un mecanismo, como un pistón o un pulverizador de pintura.
Una caída de presión no siempre es involuntaria, pero sí indeseada. Hay dos tipos de caídas de presión: naturales e involuntarias.
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 física. A menudo, los responsables de fábricas y talleres no calculan ni instalan el sistema óptimo para suministrar la fuerza generada que necesita cada puesto de trabajo. Las instalaciones mal planificadas son el resultado de decisiones de compra precipitadas y de las prisas por instalar.
Incluso el sistema de aire comprimido más eficiente perderá algo de presión. El Departamento de Energía aconseja que un sistema correctamente diseñado tenga una pérdida de presión muy inferior al 10% desde la descarga del compresor hasta el punto de uso. Sin embargo, nadie espera que un sistema de aire comprimido no tenga ninguna pérdida.
La razón es que la presión se produce en la cámara de un compresor de aire porque se introduce en ella más aire del que ocuparía normalmente el espacio. Al conectar una tubería a esa cámara, se aumenta efectivamente el volumen de espacio disponible. Entonces, la presión desciende de forma natural porque se aplica la misma cantidad de fuerza a una mayor capacidad de contención. Si se añaden más tubos, el volumen será mayor, por lo que la presión disminuirá a menos que también aumente la fuerza.
Lleva algún tiempo calcular la cantidad de presión necesaria en todos los puntos de uso final del taller. Sumar todo el consumo y esperar que el compresor produzca esa cantidad no tiene en cuenta la caída natural que se produce en las tuberías.
La ecuación estándar de caída de presión del aire comprimido para calcular la diferencia de presión probable entre el compresor y el usuario se denomina "fórmula empírica". Esta fórmula es:
dp = 7,57 q1,85 L104 /(d5 p)
Los factores representados por las letras en esa fórmula son los siguientes:
- dp es la pérdida de carga medida en kg/cm2
- q es el caudal de aire en condiciones atmosféricas medido enm3/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). Este es el valor nominal de su compresor, que da la presión esperada en su válvula de salida.
Se trata de una fórmula complicada y a muchos directores de fábrica les resulta desalentadora. La solución estándar consiste simplemente en aumentar la presión en el compresor hasta que el equipo de uso final reciba suficiente fuerza. Sin embargo, esta estrategia es un despilfarro 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 una tubería recta desde el compresor hasta la salida y no tiene en cuenta los codos. El interior de la tubería también puede reducir el caudal, que es otra forma de decir reducir la presión. El trazado y las propiedades de la superficie interior de las tuberías introducen turbulencias.
A veces se puede ver cómo el viento empuja el aire a lo largo de una calle cuando el movimiento del aire pasa por una zona polvorienta. A veces, el polvo fluye en línea recta, pero a menudo se arremolina. Se podría imaginar que el aire es empujado a lo largo de una tubería como una masa de pasta de dientes y que no tiene otra dirección que hacia delante. Pero a menudo no es así.
La fuerza ejercida por el compresor impulsa el aire. La trayectoria más eficiente para ese movimiento es en línea recta. Sin embargo, si las curvas y los baches de la tubería hacen que el aire revolotee y rebote, ese movimiento gasta energía para viajar en direcciones tangenciales. Esto introduce un desperdicio de energía en el sistema a través de una dirección inesperada y un movimiento improductivo.
La dirección del caudal es difícil de medir en los sistemas de aire comprimido del mundo real. Una vez más, es algo que los gestores de instalaciones prefieren pasar por alto. El hecho de que el aire fluya o no en línea recta viene determinado por un factor denominado número de Reynolds. Ese factor se obtiene 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 de la tubería.
- µ es la viscosidad dinámica.
Una vez obtenido el número de Reynolds, podrá decidir si el flujo de aire es eficaz. El aire que fluye en línea recta se llama "flujo laminar". Cuando el aire sigue una trayectoria enrevesada, está en un "flujo turbulento". Puedes etiquetar tu flujo como laminar si tus observaciones dieron como resultado un número de Reynolds inferior a 2300. Si es superior a 3000, tienes un flujo turbulento.
Puede que decida saltarse el esfuerzo de calcular el número de Reynolds y limitarse a subir el compresor. Se trata de un error común que introduce una ineficiencia mucho mayor en el uso de la 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 piense que aumentar la presión en su sistema de tuberías hará que el aire circule a mayor velocidad y se desborden las turbulencias. Lo cierto es lo contrario. En realidad, una mayor presión aumenta las turbulencias, por lo que superar el problema por la fuerza bruta no es una opción viable.
Atascos
Otra fuente importante de resistencia como causa de caída de presión es una obstrucción. Es poco probable que alguna de sus tuberías se obstruya por completo, ya que esto provocaría una acumulación de presión incontrolable, lo que daría lugar a la rotura de parte del sistema. Es más probable que se produzcan obstrucciones parciales. Estas obstrucciones ralentizan el caudal del sistema y provocan una caída de presión. La presión aumentará delante de la obstrucción, por lo que este tipo de resistencia es más fácil de detectar.
Las mayores fuentes de obstrucciones en su sistema son las que están incorporadas. Es probable que tenga conexiones de tuberías en todo el sistema. Si están atornilladas o soldadas, es posible que se introduzca metal 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 instale en su sistema son otra forma intencionada de obstrucción. Los equipos de control, como manómetros y sensores en línea, también reducen el volumen de la tubería en determinados puntos.
La caída de presión causada por fijaciones, válvulas y sensores es constante y no provocará cambios bruscos de presión. De hecho, es posible que ni siquiera se dé cuenta de que esos dispositivos crean puntos de restricción que influyen en su caudal. Sin embargo, una de las principales razones de la reducción progresiva del rendimiento es otro dispositivo del que probablemente tenga muchos casos en toda su red de aire: los filtros. Los filtros de aire están ahí para eliminar las partículas en su flujo de aire y, en teoría, facilitar las velocidades de transferencia. Sin embargo, a medida que las partículas se acumulan en la superficie del filtro, cada vez hay menos huecos para dejar pasar el aire.
Incluso un filtro de aire limpio crea una pequeña resistencia. Sin embargo, los filtros obstruidos causarán una resistencia notable y una caída de presión que empeorará con el tiempo.
Caída de presión causada por las caídas de presión reales
Los responsables de producción que utilizan sistemas de aire comprimido ineficaces están sometidos a sus propias formas de presión: limitaciones de tiempo y costes. Cada 1 PSI de exceso de presión de funcionamiento aumenta el consumo de energía del compresor de aire en aproximadamente un 0,5%. Por lo tanto, tomar medidas de emergencia sin examinar su disposición actual, sólo empeorará los costes y el rendimiento de la 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 de reacción y las acciones de emergencia suelen ser el resultado de la presión ejercida sobre el gestor. En estos casos, la solución inmediata es simplemente poner los compresores a pleno rendimiento para proporcionar presión suficiente en los puntos finales del sistema. Se trata de una tarea contraproducente, que incluso puede acarrear el gasto innecesario de comprar e instalar compresores adicionales.
Sobrecargar un sistema sin controlar los niveles de presión en todo su recorrido provocará fallos en los componentes aguas arriba. Los puntos más vulnerables del sistema son los conectores entre los distintos componentes, mantenidos por válvulas y contactos roscados que se mantienen estancos mediante juntas. Aumentar la presión para obtener un caudal suficiente al final de una línea de flujo larga requerirá una presión excesiva en las primeras etapas del sistema. Además, las juntas y los retenes se desgastarán antes de lo previsto y las uniones roscadas aflojarán sus roscas.
Al soplar los componentes se producen fugas. Usted probablemente piensa que las fugas causaron su caída de presión. Probablemente no lo hicieron. Probablemente lo hicieron los manómetros inadecuados, los tramos de tubería demasiado largos, las curvas, las irregularidades del interior de las tuberías, las obstrucciones y los filtros sucios. Las fugas fueron el resultado de la sobrecarga, que fue una reacción a una caída de presión inaceptable. Si sólo busca fugas, está buscando los síntomas de los problemas de su sistema de aire comprimido, no la causa. La detección de fugas proporcionará pruebas del fallo. Sustitúyalas, pero luego pase a planificar una solución rentable y a largo plazo para sus problemas de caída de presión.
Soluciones
Cuando se está bajo presión, se cometen errores. Así que la primera solución a las caídas de presión inesperadas en su sistema de aire comprimido es mantener la calma y comprometerse a no aumentar la presión del compresor hasta que haya investigado a fondo la causa del problema. Aumentar la fuerza en su sistema sólo introducirá fugas y empeorará las cosas.
Considere un enfoque temporal para resolver el problema general:
- A corto plazo: Compruebe si hay fugas en todas las juntas y conectores del sistema. Limpie o sustituya todos los filtros y baje los puntos de ajuste de presión de los compresores.
- A medio plazo: Coloque monitores de presión en varios puntos de su sistema, especialmente antes y después de cada dispositivo. Compruebe si se producen caídas inusuales de presión en el sistema. Realice revisiones periódicas de mantenimiento.
- A largo plazo: Dibuje un plano de su sistema y reorganice el taller para reducir los tramos de tubería. Erradique todos los codos y sustituya las tuberías que presenten caídas de presión poco razonables.
Por encima de todo, debe darse cuenta de que las caídas de presión cuestan dinero y solucionar este problema puede dar un vuelco a su empresa. La pérdida de dinero por un uso excesivo de energía sólo hará que su producción deje de ser competitiva. Conseguir que el sistema de aire comprimido más eficiente trabaje para usted le permitirá aumentar la eficiencia para superar a sus competidores, poniéndole por delante del resto.
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