1.1 Definició

Els sistemes d’aire comprimit són presents en la majoria de les indústries, perquè ajuden a millorar la productivitat, amb l’automatització i l’acceleració de la producció.

Una instal·lació d’aire comprimit consta de dues parts:

• Una instal·lació d’aire comprimit consta de dues parts:
• La xarxa de distribució: que transporta l’aire comprimit fins al punt de consum.

L’element fonamental d’un sistema d’aire comprimit és el COMPRESSOR, que és una màquina destinada a incrementar la pressió de l’aire, per tal de proporcionar-li energia per utilitzar-lo en múltiples aplicacions.

1.2 Avantatges i desavantatges

L’aire comprimit està present en la majoria dels processos industrials a causa dels seus múltiples AVANTATGES:

• Prové d’una font inesgotable, l’aire; és transportable, fins i tot a grans distàncies; es pot emmagatzemar en dipòsits fixos o mòbils; la temperatura no l’afecta i és antideflagrant; és una energia neta que no contamina i no requereix canonades de retorn.
• Els elements que requereix per a la seva utilització són simples, econòmics i robustos; té un manteniment senzill i el risc d’accidents és mínim.
• És una energia molt versàtil, adaptable a moltíssims camps d’aplicació i els elements que utilitza ocupen poc espai.

Com a DESAVANTATGES, cal tenir en compte els següents:

• el preu, que és una mica elevat. com a valor indicatiu tenim que cada m3/min d’aire aspirat pel compressor costa 0,01 €/min.
• la força que pot arribar a produir és limitada.
• la velocitat que proporciona no és constant atesa la compressibilitat de l’aire.
• els aparells que generen aire comprimit i la seva descàrrega són sorollosos.

1.3 Aplicació industrial

En vista de la gran quantitat d’avantatges i dels pocs desavantatges, la seva utilització és pràcticament universal en tot tipus d’indústries per fer funcionar tota mena de màquines, eines (polidores, trepants, fregadores, fresadores), tornavisos, pistoles netejadores, etc.

El rendiment d’una instal·lació d’aire comprimit es defineix com el quocient entre l’energia proporcionada a l’aire per compressió i l’energia elèctrica consumida pel compressor..

El rendiment dels compressors és molt baix, perquè la major part de l’energia de compressió es converteix en calor.

Aquest rendiment depèn de múltiples factors, els més importants dels quals són:

1. Compressors

En el moment de seleccionar un compressor cal considerar una sèrie de factors que depenen en gran mesura de la instal·lació a la qual ha de servir.

Els factors fonamentals de la instal·lació a considerar són el cabal de l’aire i la pressió requerida.

Al quadre següent es presenten valors límit superiors per a cada tipus de compressor:

2. Aspiració

Per a un bon rendiment del compressor, l’aire s’ha d’aspirar preferentment de l’exterior i ha d’estar net i fred, atès que:

• Cada 4º C d’augment de temperatura en l’aire aspirat, augmenta el consum d’energia un 1% per al mateix cabal.
• Cada 3 °C de disminució en la temperatura de l’aire aspirat, donen lloc a un 1% més d’aire comprimit, per al mateix consum d’energia.

3. Dipòsits d’aire

És important realitzar un disseny del dipòsit que permeti obtenir consums d’energia menors, mitjançant la instal·lació de compressors de menor capacitat i de menor potència.

3.1 Central compressora

A la central compressora es realitza el tractament de l’aire per obtenir-lo a una determinada pressió i amb uns nivells determinats de neteja i d’absència d’humitat.

Està constituïda pels components següents:

1. Compressor: incrementa la pressió de l’aire.
2. Refrigerador-separador: elimina l’aigua present en l’aire comprimit a la sortida del compressor.
3. Dipòsit de regulació: emmagatzema l’aire comprimit per atendre demandes punta que excedeixin la capacitat del compressor.
4. Filtre: s’eliminen les impureses de l’aire, com la pols i l’oli, mitjançant un filtratge adequat.
5. Assecador: eixuga l’aire comprimit fins a un punt de rosada inferior a la temperatura ambient abans de ser distribuït a la xarxa.

3.2 Compressors

Un compressor és una màquina destinada a incrementar la pressió de l’aire, o d’un gas o barreja de gasos, a partir de la pressió atmosfèrica, per tal de proporcionar-los energia i emprar-los en múltiples aplicacions.

TIPUS DE COMPRESSORS

Els compressors que es fabriquen actualment es divideixen en dos grans grups, segons el seu principi de funcionament: de flux continu o aerodinàmics i de desplaçament positiu.

1. Els compressors de flux continu o aerodinàmics es basen en la quantitat de moviment, en què gràcies a la força rebuda del motor d’arrossegament s’augmenta la velocitat del fluid, per transformar-la posteriorment en pressió.

Els compressors aerodinàmics disposen d’un òrgan fonamental denominat rodet, que gira sobre el seu eix, en què es produeix la transformació de l’energia mecànica, que rep del motor d’arrossegament, en energia de fluid.

2. Els compressors de desplaçament positiu o volumètrics augmenten la pressió del gas gràcies a la reducció del volum, transmetent aquesta pressió íntegrament a tot el fluid situat aigües avall.

Aquests compressors disposen d’un element denominat desplaçador, que atrapa el gas amb la creació d’una succió, en redueix el volum i el desplaça cap a la sortida on existeix una pressió superior.

Els compressors volumètrics es divideixen, al seu torn, en alternatius i rotatius (segons el moviment del seu òrgan desplaçador).

Els compressors alternatius són els més utilitzats en la indústria pels seus notables avantatges i característiques, que els converteixen en els més econòmics tant en el moment de l’adquisició com en el de l’ús.

Consten d’un cilindre en què es desplaça alternativament un èmbol arrossegat des de l’exterior per una tija, o simplement per una biela; quan comença a sortir del cilindre es crea una succió que permet l’entrada de l’aire des de l’exterior a través d’una vàlvula, que s’omple.

Quan el pistó torna, es redueix el volum i s’incrementa la pressió de l’aire fins a arribar a un valor en què s’obre una vàlvula que connecta el cilindre amb el servei.

Els compressors volumètrics rotatius disposen d’un cos o carcassa generalment cilíndric, dins del qual es disposen unes peces mòbils giratòries d’una forma variada, que creen uns recintes que en primer terme atrapen l’aire per succió, per disminuir-ne el volum, elevar-ne la pressió i al mateix temps desplaçar-lo cap a la sortida, en contacte amb una zona de major pressió.

Entre aquest tipus de compressors cal mencionar els d’aletes i els de cargol com els més importants.

3.3 Xarxa de distribució

Després d’haver produït i tractat convenientment l’aire comprimit, cal distribuir-lo de manera que arribi a tots i cadascun dels punts de consum.

Per a això caldrà traçar a partir de la central compressora una sèrie de canonades i d’escomeses que constitueixen la xarxa de distribució.

Existeixen tres tipus de xarxa de distribució:

• Xarxa ramificada o oberta: està formada per la canonada que surt de la central compressora que es desglossa en dos, i aquestes, al seu torn, es ramifiquen en dues més i així successivament fins a arribar a cada un dels punts de consum, constituint una xarxa oberta. Té com a únic avantatge que, en principi, és més econòmica perquè té una longitud menor, però si es produeix una anomalia quedaran fora de servei totes les escomeses situades aigües avall a partir d’aquell punt.
• Xarxa mallada o tancada: la canonada que surt de la central compressora es divideix també en dos, i aquestes en dues més, i així successivament, però totes es tanquen en els extrems, formant anells tancats. Els consums poden ser atesos per camins diferents, i així s’aconsegueix un repartiment de cabals òptim, que produeix pèrdues de càrrega mínimes a les canonades i, per tant, pressions màximes en les escomeses. Es pot mantenir el servei en cas d’avaria només amb l’aïllament del tram on es produeixi.
• Xarxa mixta: és la que s’empra amb més freqüència, està formada per circuits tancats, dels quals surten alguns ramals que no es tanquen als extrems.

Amb una dedicació pròpia no excessiva es poden detectar algunes millores sense inversió, relacionades amb la gestió de compressors, la planificació i el manteniment (resultats immediats).

Amb ajuda d’experts d’energia es pot aprofundir en l’anàlisi, detectant algunes millores que requereixin una inversió reduïda (resultats a mitjà termini).

Altres millores exigeixen una anàlisi més detallada i una inversió considerable (resultats a llarg termini).

5.1 Resultats immediats: millores sense necessitat d’inversió

• Informar el personal de l’empresa de l’elevat cost de producció de l’aire comprimit, perquè cada m3/min costa 0,01 €.
• Mantenir la pressió de generació de l’aire com més baixa millor. Comprovar la pressió mínima de treball dels equips connectats i de les pèrdues de pressió de la xarxa, perquè el consum d’energia s’incrementa en augmentar la pressió de l’aire comprimit.
• L’aire que es comprimeix s’ha de prendre de l’exterior. On sigui possible, es faran les preses d’aire de l’exterior orientades al nord, perquè els costos operatius baixen en aspirar aire més fred (de l’ordre de 3%).
• Comprovar que totes les eines pneumàtiques funcionen a la pressió mínima que garanteixi una elevada productivitat, perquè a major pressió més cost energètic.
• Comprovar que les pistoles de bufat estan regulades a la pressió específica. S’obté un estalvi del 60% d’energia fent que les vàlvules reguladores de les pistoles estiguin regulades a un màxim de 2 bar.
• Cal evitar l’ús de pistoles de ruixada per a la neteja per motius d’estalvi energètic i d’higiene. Utilitzar en el seu lloc escombres i recollidors o aspiradores de buit.
• Cal localitzar i identificar les canonades d’aire o ramals no utilitzats en l’actualitat, ja que poden ser una font potencial de fuites.
• Cal evitar que els compressors funcionin en buit durant molt de temps, perquè el funcionament dels compressors en buit és car. Per a això: Fer un ajustament correcte dels temporitzadors. Fer una posada en marxa només quan hi ha demanda. Parar els compressors si no hi ha demanda.
• Ha d’existir un sistema efectiu per detectar les fuites i reparar-les en línia. Les proves periòdiques reglamentàries dels recipients a pressió són una assegurança contra les fuites.

5.2 Resultats a curt termini: Requereixen una inversió reduïda

• Controlar la pèrdua de càrrega en els filtres d’aire. Netejar els filtres reutilitzables i substituir els d’un sol ús, perquè els filtres bruts incrementen el consum energètic i el consum d’aire.
• Inspeccionar i mantenir apropiadament el sistema de tractament d’aire; per a això, cal comprovar la freqüència i/o la substitució dels filtres en l’aspiració i la impulsió, els assecadors d’aire i la neteja d’intercanviadors. El manteniment incorrecte d’aquest sistema implica un increment del consum d’energia que pot ser de fins un 30%.
• Comprovar el funcionament correcte dels purgadors d’aigua, i garantir que no deixen passar aire en continu. Si el manteniment és inadequat, la fuita pel purgador pot ser considerable.
• Considerar alternatives elèctriques a les eines pneumàtiques. En alguns casos les eines elèctriques permeten un estalvi de costos operatius de fins al 60%.
• Automatitzar el drenatge del sistema d’aire. L’automatització del drenatge d’aigua millora l’operació del sistema i redueix el cost per fuites, perquè el drenatge manual d’aigua és poc eficient.
• Recuperar la calor de la refrigeració dels compressors. Analitzar les diverses possibilitats de recuperació de calor en els compressors, perquè l’energia associada amb la refrigeració dels compressors és molt important.
• Analitzar la possibilitat de zonificar l’aire comprimit per horaris de demanda, per nivells de pressió diferents o per grans demandes puntuals, perquè treballar a pressions escalonades redueix el consum d’energia, d’aire i de fuites.

5.3 Resultats a llarg termini: requereixen una anàlisi més detallada i una inversió considerable

• Analitzar si la capacitat dels dipòsits d’aire és adequada a les pautes de consum, ja que una capacitat d’emmagatzematge inadequada implica que els compressors entren en càrrega/descàrrega amb molta freqüència, i provoquen puntes de demanda i un augment del consum d’energia.
• Comprovar que la xarxa de distribució d’aire és correcta i adequada a la demanda actual, perquè el pas d’aire per les canonades i pels accessoris originen pèrdues de pressió.
• Analitzar la substitució de l’aire comprimit emprat en la deshidratació per un aire impulsat per un ventilador o un bufador, ja que quan s’ha de treballar a baixa pressió, els ventiladors i els bufadors són més econòmics en inversió i en operació que els compressors.
• Considerar el nivell de qualitat requerit a la fàbrica en funció del treball desenvolupat, perquè la qualitat excessiva implica un excés de consum energètic.
• Analitzar si existeix una part de la fàbrica amb una punta de demanda molt diferent de la resta i la possibilitat d’instal·lar un compressor local per a aquesta part de la fàbrica. El compressor treballarà més a prop de les condicions òptimes, sense perjudicar el treball del conjunt de la fàbrica.
• Analitzar si els compressors treballen controlant la demanda i s’apaguen automàticament després d’un temps predeterminat de buit. En funció del tipus de treball i de la demanda, el temps de funcionament en buit pot ser del 60% o superior.
• En compressors refrigerats per aigua, analitzar on pot utilitzar l’energia disponible en l’aigua de refrigeració, perquè el 93% de l’energia elèctrica consumida en la compressió es tradueix en energia tèrmica de l’aigua de refrigeració. Amb els sistemes de refrigeració per aigua s’obté aigua escalfada a una temperatura de 50º C a 80º C.
• Analitzar l’operació del sistema d’aire comprimit per tal de registrar i conèixer la pauta de la demanda d’aire (corba de demanda). L’estalvi obtingut per instal·lar compressors de velocitat variable depèn de la pauta de consum.

4.1 Compressió per etapes

L’elevació total de la pressió de l’aire en un compressor es pot dur a terme d’un sol cop, en un únic cilindre, o bé en dos o més graons.

En aquest cas el compressor disposarà de tants cilindres com etapes i l’aire passarà per pressions intermèdies, si bé un compressor pot utilitzar dos o més cilindres per a la compressió de cada etapa.

L’avantatge que aquest tipus de compressors reporta és l’aprofitament dels esglaons intermedis per refrigerar l’aire, amb què s’aconsegueix minorar la potència absorbida.

Com que la pressió mitjana dels cilindres es minora, disminueixen les fuites i s’augmenta el rendiment volumètric.

Gràcies a la limitació de la temperatura de l’aire que s’aconsegueix en l’interior d’aquest tipus de compressors, s’obté una major seguretat de marxa, un manteniment més fàcil i una prolongació de la vida de la màquina.

Per contra, el compressor resulta més costós perquè requereix un nombre de cilindres més gran i, per tant, de vàlvules, com també de sistemes de refrigeració intermedis.

Potencia la diversificació del consum i, per tant, disminueix el nivell de dependència de subministraments externs.

4.2 Recuperació d’energia

En comprimir l’aire, la temperatura augmenta, fet que n’exigeix el refredament per mantenir la temperatura de treball del compressor dins dels límits de disseny i millorar-ne el rendiment o assecar l’aire comprimit.

Aquesta refrigeració es realitza després de cada etapa de compressió, mitjançant refrigeradors intermedis o posteriors.

En convertir-se en calor l’energia emprada en el compressor, la seva recuperació pot significar un estalvi d’energia important.

Aproximadament un 94% de l’energia consumida en un compressor es transforma en calor recuperable i únicament un 6% roman en l’aire comprimit o passa a la sala de compressors.

A. Compressors refrigerats per aigua

• Contenen en l’aigua de refrigeració escalfada l’energia recuperable que prové dels cilindres i dels refrigeradors intermedis i posterior.
• Es pot estimar que del 80% al 90% de l’energia consumida pel compressor passa a l’aigua de refrigeració escalfada a una temperatura de 50º C a 80° C.
• Això en permet l’aplicació a distància i un rendiment de la instal·lació d’estalvi energètic, en general, millor que en els compressors refrigerats per aire.

B. Compressors refrigerats per aire

• L’aire de refrigeració que surt del compressor, amb temperatures de fins a 50-60° C, pot ser utilitzat de maneres diferents per tal d’aprofitar la calor que arrossega.
• La utilització més freqüent d’aquest aire de refrigeració calent és en sistemes de calefacció i de condicionament ambiental.
• El mètode més fàcil de recuperació de calor en una instal·lació d’aire comprimit refrigerada per aire consisteix en la inclusió d’un ventilador, mitjançant el qual s’envia l’aire a la seva àrea d’utilització.