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Distribución y Generación de Aire Comprimido

  • 1. Descripción

    1.1 Definición

    Los sistemas de aire comprimido están presentes en la mayoría de las industrias, ya que ayudan a mejorar la productividad, automatizando y acelerando la producción.

    Una instalación de aire comprimido consta de dos partes:

    • La central compresora: donde el aire se prepara convenientemente para su uso.
    • La red de distribución: que transporta el aire comprimido hasta el punto de consumo.

    El elemento fundamental de un sistema de aire comprimido es el COMPRESOR, que es una máquina destinada a incrementar la presión del aire, con el fin de proporcionarle energía para utilizarlo en múltiples aplicaciones.

    1.2 Ventajas e inconvenientes

    El aire comprimido está presente en la mayoría de los procesos industriales debido a sus múltiples VENTAJAS:

    • Parte de una fuente inagotable, el aire; es transportable, incluso a grandes distancias; puede almacenarse en depósitos fijos o móviles; la temperatura no le afecta y es antideflagrante; es una energía limpia que no contamina y no requiere tuberías de retorno.
    • Los elementos que precisa para su utilización son simples, económicos y robustos; su mantenimiento es sencillo y el riesgo de accidentes es mínimo.
    • Es una energía muy versátil, adaptable a muchísimos campos de aplicación y los elementos que utiliza ocupan poco espacio.

    Como INCONVENIENTES hay que considerar los siguientes:

    • su precio, que es algo elevado. Como valor indicativo tenemos que cada m3/min de aire aspirado por el compresor cuesta 1c€/min.
    • la fuerza que puede llegar a producir es limitada.
    • la velocidad que proporciona no es constante dada la compresibilidad del aire.
    • los aparatos que generan aire comprimido y su descarga resultan algo ruidosos.

    1.3 Aplicación Industrial

    Debido a la gran cantidad de ventajas y a los pocos inconvenientes, su utilización es prácticamente universal en todo tipo de industrias para hacer funcionar todo tipo de máquinas, herramientas (pulidoras, taladradoras, lijadoras, fresadoras), destornilladoras, pistolas limpiadoras, etc.

  • 2. Conceptos básicos

    El rendimiento de una instalación de aire comprimido se define como el cociente entre la energía proporcionada al aire por compresión y la energía eléctrica consumida por el compresor.

    El rendimiento de los compresores es muy bajo, pues la mayor parte de la energía de compresión se convierte en calor.

    Este rendimiento depende de múltiples factores, siendo los más importantes:

    1. Compresores

    En el momento de seleccionar un compresor se han de considerar una serie de factores que dependen en gran medida de la instalación a la que ha de servir.

    Los factores fundamentales de la instalación a considerar son el caudal del aire y la presión requerida.

    En el cuadro siguiente se presentan valores límites superiores para cada tipo de compresor:

    Límites aproximados de trabajo de compresores
    Tipo Potencia máxima aproximada Presión máxima aproximada (bar g)
    Alternativo Más de 12.000 7.000
    Aletas 100 28
    Tornillo 6.000 40
    Centrífugo Más de 35.000 400
    Axial Más de 100.000 35
    2. Aspiración

    Para un buen rendimiento del compresor, el aire debe aspirarse preferentemente del exterior y debe estar limpio y frío, ya que:

    • Cada 4°C de aumento de temperatura en el aire aspirado, aumenta el consumo de energía un 1 % para el mismo caudal.
    • Cada 3°C de disminución en la temperatura del aire aspirado, dan lugar a un 1 % más de aire comprimido, para el mismo consumo de energía.
    3. Depósitos de Aire

    Es importante realizar un diseño del depósito tal que permita obtener menores consumos de energía, mediante la instalación de compresores de menor capacidad y menor potencia.

  • 3. Componentes

    3.1 Central compresora

    En la central compresora se realiza el tratamiento del aire para obtenerlo a una determinada presión y con unos niveles determinados de limpieza y de ausencia de humedad.

    Está constituida por los siguientes componentes:

    1. Compresor: incrementa la presión del aire.
    2. Refrigerador-separador: elimina el agua presente en el aire comprimido a la salida del compresor.
    3. Depósito de regulación: almacena el aire comprimido para atender demandas puntas que excedan la capacidad del compresor.
    4. Filtro: se eliminan las impurezas del aire, como el polvo y el aceite, mediante un filtrado adecuado.
    5. Secador: seca el aire comprimido hasta un punto de rocío inferior a la temperatura ambiente antes de ser distribuido a la red.

    Esquema de una instalación de aire comprimido

    3.2 Compresores

    Un compresor es una máquina destinada a incrementar la presión del aire, o de un gas o mezcla de gases, a partir de la presión atmosférica, con el fin de proporcionarles energía y utilizarlos en múltiples aplicaciones.

    TIPOS DE COMPRESORES

    Los compresores que se fabrican hoy día se dividen en dos grandes grupos, atendiendo a su principio de funcionamiento: de flujo continuo o aerodinámicos y de desplazamiento positivo.

    Clasificación de los compresores

    1. Los compresores de flujo continuo o aerodinámicos están basados en la cantidad de movimiento, donde gracias a la fuerza recibida del motor de arrastre se aumenta la velocidad del fluido, para posteriormente transformarla en presión.

    Los compresores aerodinámicos disponen de un órgano fundamental denominado rodete, que gira sobre su eje, donde se produce la transformación de la energía mecánica, que recibe del motor de arrastre, en energía de fluido.

    Esquema de un compresor dinámico

    2. Los compresores de desplazamiento positivo o volumétricos aumentan la presión del gas gracias a la reducción de su volumen, transmitiendo esta presión íntegramente a todo el fluido situado aguas abajo.

    Estos compresores disponen de un elemento denominado desplazador, que atrapa el gas mediante la creación de una succión, reduce su volumen, y lo desplaza hacia la salida donde existe una presión superior.

    Los compresores volumétricos se dividen a su vez en alternativos y rotativos (según el movimiento que posee su órgano desplazador).

    Los compresores alternativos son los más utilizados en la industria por sus notables ventajas y características, que los convierten en los más económicos tanto en el momento de su adquisición como en el de su uso.

    Constan de un cilindro donde se desplaza alternativamente un émbolo arrastrado desde el exterior por un vástago, o simplemente por una biela; cuando éste comienza a salir del cilindro se crea una succión que permite la entrada del aire desde el exterior a través de una válvula, llenándola.

    Esquema de funcionamiento de un compresor alternativo o de pistón

    Cuando el pistón regresa se reduce el volumen y se incrementa la presión del aire hasta alcanzar un valor en el que se abre una válvula que conecta el cilindro con el servicio.

    Los compresores volumétricos rotativos disponen de un cuerpo o carcasa generalmente cilíndrico, dentro del cual están dispuestas unas piezas móviles giratorias de una forma variada, que crean unos recintos que en primer término atrapan el aire mediante succión, para luego disminuir su volumen, elevar su presión y al mismo tiempo desplazarlo hacia su salida, en contacto con una zona de mayor presión.

    Entre este tipo de compresores cabe citar los de aletas y los de tornillo como los más importantes.

    3.3 Red de distribución

    Después de haber producido y tratado convenientemente el aire comprimido, hay que distribuirlo de tal manera que llegue a todos y cada uno de los puntos de consumo.

    Para ello se deberán trazar a partir de la central compresora una serie de tuberías y de acometidas que constituyen la red de distribución.

    Esquema de un compresor de tornillo

    Existen tres tipos de red de distribución:

    • Red ramificada o abierta: está formada por la tubería que parte de la central compresora que se desglosa en dos, y éstas a su vez se ramifican en otras dos y así sucesivamente hasta alcanzar cada uno de los puntos de consumo, constituyendo una red abierta. Tiene como única ventaja que en principio es más económica al tener una menor longitud, pero si se produce una anomalía quedarán fuera de servicio todas las acometidas situadas aguas debajo de ese punto.
    • Red mallada o cerrada: la tubería que parte de la central compresora se divide también en dos, y éstas a su vez en dos, y así sucesivamente, pero cerrándose todas ellas en sus extremos, formando anillos cerrados. Los consumos pueden ser atendidos por caminos diferentes, consiguiéndose un reparto de caudales óptimo, que produce pérdidas de carga mínimas en las tuberías y por tanto presiones máximas en las acometidas. Se puede mantener el servicio en caso de avería sin más que aislar el tramo en que se presente.
    • Red mixta: es la más frecuentemente empleada, está formada por circuitos cerrados, de los que parten algunos ramales que no se cierran en sus extremos.

    Esquema de una red de distribución de aire comprimido

  • 4. Medidas de eficiencia

    `

    Con una dedicación propia no excesiva pueden detectarse algunas mejoras sin inversión, relacionadas con la gestión de compresores, la planificación y el mantenimiento (resultados inmediatos).

    Con ayuda de expertos de energía se puede profundizar en el análisis, detectando algunas mejoras que requieran una inversión reducida (resultados a medio plazo).

    Otras mejoras exigen un análisis más detallado y una inversión considerable (resultados a largo plazo).

    5.1 Resultados inmediatos: mejoras sin necesidad de inversión

    • Informar al personal de la empresa del elevado coste de producción del aire comprimido, ya que cada m3/min cuesta 1c€.
    • Mantener la presión de generación del aire lo más baja posible. Comprobar la presión mínima de trabajo de los equipos conectados y las pérdidas de presión de la red, ya que el consumo de energía se incrementa al aumentar la presión del aire comprimido.
    • El aire que se comprime se debe tomar del exterior. Donde sea posible se harán las >tomas de aire del exterior orientadas al norte, ya que los costes operativos bajan al aspirar aire más frío (del orden de 3%).
    • Comprobar que todas las herramientas neumáticas funcionan a la mínima presión que asegure una elevada productividad, ya que a mayor presión más coste energético.
    • Comprobar que las pistolas de soplado están reguladas a la presión específica. Se obtiene un ahorro del 60% de energía haciendo que las válvulas reguladoras de las pistolas estén reguladas a un máximo de 2 bar.
    • Debe evitarse el uso de pistolas de rociado para limpieza por motivos de ahorro energético y por higiene. Usar en su lugar escobas y recogedores o aspiradoras de vacío.
    • Se debe localizar e identificar las tuberías de aire o ramales no utilizados en la actualidad, ya que estas tuberías y ramales pueden ser una fuente potencial de fugas.
    • Debe evitarse que los compresores funcionen en vacío durante mucho tiempo, ya que el funcionamiento de los compresores en vacío es caro. Para ello: Realizar un ajuste correcto de los temporizadores. Realizar la puesta en marcha sólo cuando hay demanda. Realizar la parada de los compresores si no hay demanda.
    • Debe existir un sistema efectivo para detectar las fugas y repararlas "on-line". Las pruebas periódicas reglamentarias de los recipientes a presión son un seguro anti fugas.

    5.2 Resultados a corto plazo: requieren una inversión reducida

    • Controlar la pérdida de carga en los filtros de aire. Limpiar los filtros reutilizables y sustituir los desechables, ya que los filtros sucios incrementan el consumo energético y el consumo de aire.
    • Inspeccionar y mantener apropiadamente el sistema de tratamiento de aire, para ello comprobar la frecuencia y/o sustitución de los filtros en la aspiración e impulsión, los secadores de aire y la limpieza de intercambiadores. El mantenimiento incorrecto de este sistema implica un incremento del consumo de energía que puede ascender hasta un 30%.
    • Comprobar el funcionamiento correcto de los purgadores de agua, comprobando que no dejan pasar aire en continuo. Si el mantenimiento es inadecuado, la fuga por el purgador puede ser considerable.
    • Considerar alternativas eléctricas a las herramientas neumáticas. En algunos casos las herramientas eléctricas permiten un ahorro de costes operativos de hasta el 60%.
    • Automatizar el drenaje del sistema de aire. La automatización del drenaje de agua mejora la operación del sistema y reduce el coste por fugas, ya que el drenaje manual de agua es poco eficiente.
    • Recuperar el calor de la refrigeración de los compresores. Analizar las diversas posibilidades de recuperación de calor en los compresores, ya que la energía asociada con la refrigeración de los compresores es muy importante.
    • Analizar la posibilidad de zonificar el aire comprimido por horarios de demanda, por niveles de presión diferentes o por grandes demandas puntuales, ya que trabajar a presiones escalonadas reduce el consumo de energía, aire y fugas.

    5.3 Resultados a largo plazo: requieren un análisis más detallado y una inversión considerable

    • Analizar si la capacidad de los depósitos de aire es adecuada a sus pautas de consumo, ya que una capacidad de almacenamiento inadecuada implica que los compresores entran en carga/descarga con mucha frecuencia, provocando puntas de demanda y un aumento del consumo de energía.
    • Comprobar que la red de distribución de aire es correcta y adecuada a su demanda actual, ya que el paso de aire por las tuberías y los accesorios originan unas pérdidas de presión.
    • Analizar la sustitución del aire comprimido empleado en la deshidratación por un aire impulsado por un ventilador o una soplante, ya que cuando se debe trabajar a baja presión, los ventiladores y soplantes son más económicos en inversión y operación que los compresores.
    • Considerar el nivel de calidad requerido en la fábrica en función del trabajo desarrollado, ya que la calidad excesiva implica un exceso de consumo energético.
    • Analizar si existe una parte de la fábrica con una punta de demanda muy diferente al resto y la posibilidad de instalar un compresor local para esa parte de la fábrica. El compresor trabajará más cerca de sus condiciones óptimas, sin perjudicar el trabajo del conjunto de la fábrica.
    • Analizar si los compresores trabajan controlando la demanda, apagándose automáticamente después de un tiempo predeterminado de vacío. En función del tipo de trabajo y la demanda, el tiempo de funcionamiento en vacío puede ser el 60% o mayor.
    • En compresores refrigerados por agua, analizar dónde puede utilizar la energía disponible en el agua de refrigeración, ya que el 93% de la energía eléctrica consumida en la compresión se traduce en energía térmica del agua de refrigeración. Con los sistemas de refrigeración por agua se obtiene agua calentada a una temperatura de 50ºC a 80ºC.
    • Analizar la operación del sistema de aire comprimido para registrar y conocer la pauta de la demanda de aire (curva de demanda). El ahorro obtenido por instalar compresores de velocidad variable depende de la pauta de consumo.
  • 5. Mejores Equipos

    4.1 Compresión por etapas

    La elevación total de la presión del aire en un compresor puede llevarse a cabo de una sola vez, en un único cilindro, o bien hacerlo en dos o más escalones.

    En este caso el compresor dispondrá de tantos cilindros como etapas y el aire pasará por presiones intermedias, si bien un compresor puede utilizar dos o más cilindros para la compresión de cada etapa.

    La ventaja que este tipo de compresores reporta es el aprovechamiento de los escalones intermedios para refrigerar el aire, consiguiendo de esta manera aminorar la potencia absorbida

     

    Debido a que la presión media de los cilindros se minora, disminuyen las fugas y se aumenta el rendimiento volumétrico.

    Gracias a la limitación de la temperatura del aire que se consigue en el interior de este tipo de compresores, se obtiene una mayor seguridad de marcha, un mantenimiento más fácil y una prolongación de la vida de la máquina.

    Por contra, el compresor resulta más costoso pues requiere un mayor número de cilindros y por tanto de válvulas, así como de sistemas de refrigeración intermedios.

    Potencia la diversificación del consumo y, por tanto, disminuye el nivel de dependencia de suministros externos.

    Esquema de funcionamiento de un compresor de dos etapas

    4.2 Recuperación de energía

    Al comprimir el aire, su temperatura aumenta, lo que exige su enfriamiento para mantener dentro de los límites de diseño la temperatura de trabajo del compresor y mejorar su rendimiento o deshumedecer el aire comprimido.

    Esta refrigeración se realiza después de cada etapa de compresión, mediante refrigeradores intermedios o posteriores.

    Al convertirse en calor la energía empleada en el compresor, su recuperación puede significar un ahorro de energía importante.

    Aproximadamente un 94 % de la energía consumida en un compresor se transforma en calor recuperable y únicamente un 6 % permanece en el aire comprimido o pasa a la sala de compresores.

    Diagrama calorífico de un compresor

    A. Compresores refrigerados por agua

    • Contienen en su agua de refrigeración calentada la energía recuperable que proviene de los cilindros y refrigeradores intermedios y posterior.
    • Se puede estimar que del 80% al 90 % de la energía consumida por el compresor pasa al agua de refrigeración calentada a una temperatura de 50ºC a 80 °C.
    • Esto permite su aplicación a distancia y un rendimiento de la instalación de ahorro energético, en general, mejor que en los compresores refrigerados por aire.

    B. Compresores refrigerados por aire

    • El aire de refrigeración que sale del compresor, con temperaturas de hasta 50-60 °C, puede ser utilizado de distintas formas con el fin de aprovechar el calor que arrastra.
    • La utilización más frecuente de este aire de refrigeración caliente es en sistemas de calefacción y acondicionamiento ambiental.
    • El método más fácil de recuperación de calor en una instalación de aire comprimido refrigerada por aire consiste en la inclusión de un ventilador, mediante el cual se envía el aire a su área de utilización.
    Ahorro obtenido con el aprovechamiento de calor
    Nº / Tipo Caudal aire (m/min) Potencia a disipar (kW) Energía a disipar (kwh/año) Fuelóleo ahorrado (t/año) Ahorro económico (€/año)
    1/ Tornillo 2,5 20 20.000 1,79 291
    2/ Tornillo 3,0 21 24.000 2,15 350
    3/ Tornillo 4,5 33 33.000 2,96 480
    4/ Tornillo 5,0 38 38.000 3,41 553
    5/ Tornillo 6,5 49 49.000 4,40 713
    6/ Tornillo 7,5 57 57.000 5,11 830
    7/ Tornillo 11,0 74 74.000 6,64 1077
    8/ Tornillo 15,0 107 107.000 9,60 1557
    9/ Tornillo 18,0 126 126.000 11,30 1834
    10/ Tornillo 21,0 155 155.000 13,91 2256
    11/ Alternativo 11,0 67 67.000 6,01 975
    12/ Alternativo 16,0 96 96.000 8,61 1397
    Datos del compresor a 7bar, ahorro para 1.000 h/año de funcionamiento.
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