Ahorro Energético en el Aire Comprimido

8/2/2019 Ahorro Energtico en el Aire Comprimido

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Ahorro Energtico en Aire Comprimido

Saba usted que la segunda razn identificada de prdida energtica en laindustria es el aire comprimido?

Para mantener la competitividad, en la actualidad la industria debe tener estricto control

de sus costos. Uno de los principales costos en la fabricacin de un producto es el aire

comprimido. Segn el Departamento de Energa de los Estados Unidos, se puede ahorrar

del 15% al 60% en el uso del sistema de aire comprimido con una recuperacin de la

inversin en menos de dos aos. Adems del ahorro de energa que se logra, estos

sistemas de aire comprimido mejorados ofrecen mayor confiabilidad, mayor calidad del

producto, menores porcentajes de rechazos y, sobre todo, mayor productividad general.

Concientizacin

Si se hace una encuesta entre el personal encargado de la seleccin, mantenimiento y

uso de aire comprimido en la industria preguntndoles la razn por la que se utiliza esta

forma de energa comnmente en la industria, indudablemente la respuesta que

comnmente se obtendra sera: porque es gratis!.

Esta respuesta est completamente equivocada. El aire s es gratis, pero el aire

comprimido no lo es. El costo de comprimir el aire es elevado: un compresor de 100 HP

gasta cerca de $50,000 en energa elctrica al ao. Sin embargo, como este costo viene

incluido en el recibo elctrico mezclado con el resto del equipo en una industria, no se

percibe fcilmente este hecho.

El aire comprimido se utiliza en la industria por aspectos de seguridad, limpieza,

flexibilidad, robustez del equipo neumtico, entre otras razones, pero no por el poco costo

que tiene producirlo.


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La mayora del personal en las industrias no comprenden su sistema de aire comprimido y

no conocen:

Cunto les cuesta realmente el aire comprimido? Con cul presin de aire realmente operan?

Qu presin de aire necesitan?

Cuntos CFM (pies cbicos por minuto) realmente necesitan?

Cuntos CFM desperdician?

Cul es la eficiencia real de su sistema de aire comprimido?

Costosde capital10%

Mantenimiento12%

Energa78%

Costos de capital

Mantenimiento

Energa

Grfico 1. Distribucin de costos totales promedio asociados al aire comprimido en una industria tpica para unperiodo de 10 aos.

En el Grfico 1 se muestra la distribucin de costos totales promedio asociados al aire

comprimido en una industria tpica. Como se ve claramente, el costo de la energa

requerida para la produccin del aire representa el mayor costo.

Existen varias reglas del dedo que pueden ayudar a hacer clculos rpidos sobre el costo

del aire comprimido:

1 HP produce aproximadamente 4-5 PCM

El costo de un HP anual (operando 24 horas al da) es de aproximadamente $500,

esto considerando que la energa elctrica tiene un costo de $0.07 por kWH.

De lo anterior se desprende que para producir 500 PCM, se requieren aproximadamente

100 HP y que esto tiene un costo anual de $50,000, comos e haba mencionado

anteriormente.


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El Sistema de Aire Comprimido

Un sistema tpico de aire comprimido industrial moderno est compuesto por varios

subsistemas importantes y muchos componentes. Todo el sistema suele dividirse en dos

subsistemas principales: el lado del suministro y el lado de la demanda.

El lado del suministro consiste en componentes que se encuentran antes que el

controlador de flujo (a explicarse luego), incluido ste, o antes del receptor primario,

incluido ste, en el caso de un sistema que no tenga controlador de flujo. El lado de la

demanda consiste en todos los componentes que se encuentran despus del controlador

de flujo (o despus del receptor primario en aquellos sistemas que no cuentan con

controlador de flujo).

El lado de la demanda incluye todos los puntos de uso del aire comprimido, incluyendo las

fugas.

El siguiente diagrama muestra el lado del suministro y sus componentes y el lado de la

demanda.


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El ahorro de aire comprimido se puede lograr optimizando tanto el lado del suministro

como el lado de la demanda.

Ahorros en el Suministro

En cualquier transformacin de energa, como al comprimir aire, se tiene una eficiencia

que indica la parte aprovechada y la desaprovechada de la energa usada en el proceso.

Parte perdida de este proceso se atribuye al diseo del compresor, parte a la aplicacin,

parte a la operacin y parte al mantenimiento. Al adquirir un compresor se debe estar

pendiente de su buen diseo, de que est apropiadamente aplicado, que se opere

correctamente, y de que su mantenimiento sea ptimo. Aparte de los beneficios de contar

con una larga y sana vida del compresor, este estar operando con la mxima eficiencia

con los consecuentes ahorros de energa y como corolario un significante ahorro en

dinero.

Antes de abordar el tema de los controles de capacidad de los compresores y su efecto

en el ahorro de energa, se tratar someramente algunos factores que influyen de manera

importante en el desperdicio de energa en el lado del suministro de aire comprimido.

La Presin

A mayor presin, ms consumo de energa. Por lo tanto se debe evitar que el sistema

opere a ms presin que la necesaria. Con un diez por ciento de presin excesiva se

gastar 5% ms de energa. Esto ocurre, por ejemplo, en los controles de capacidad que

tienen que subir a una presin mayor, tpicamente ms de 10%, cuando esto pudiera

reducirse o eliminarse usando otro sistema de control.

Otra causa del aumento innecesario de presin excesiva es permitir que el separador de

aceite se sature produciendo un alto diferencial en el mismo, aumentando la presin del

compresor sin aumentar la presin en la lnea. Aqu conviene determinar el tiempo ptimo

de cambiar el separador y, por supuesto, de adquirir piezas de repuesto originales de alta

calidad.


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El subir la presin tambin tiene su efecto negativo porque la unidad de compresin

tambin se calienta ms consumiendo ms energa. Si el filtro de succin se obstruye,

producir un vaco en la succin del compresor. Esto resulta en una relacin de

compresin mayor y por lo tanto ms deslizamiento del aire perdiendo caudal y perdiendo

tambin una porcin de energa. Conviene cambiar el filtro a tiempo. Un medidor de

diferencial de presin en el filtro es un dispositivo excelente para saber cundo se debe

de cambiar (no soplar) el filtro. Ms vale cambiar el filtro de succin a un precio bajo que

estar perdiendo mucho por el efecto negativo de estar obstruido.

Otros factores inciden en la perdida de energa por efectos de la presin pero aqu se han

mencionado los ms comunes.

La Temperatura

A ms alta temperatura de operacin ms consumo de energa. Para evitar esto, se

recomienda mantener el sistema de enfriamiento limpio por fuera y por dentro. El aire de

succin debe estar lo ms fro posible. Tomar en cuenta que bajar 5C en la temperatura

de succin ahorrar aproximadamente 1% de energa. Es importante verificar que elcuarto de compresores est debidamente ventilado.

Controles de Capacidad

Los conceptos anteriores son realizables para el usuario con los consecuentes y,

probablemente, significativos ahorros de energa. En el caso de los controles de

capacidad no es tan fcil puesto que estos normalmente ya vienen determinados defbrica. En algunos casos s se pueden hacer ajustes o cambios para bajar el consumo

de energa sin bajar la calidad del aire comprimido. De aqu se desprende que es muy

importante que al adquirir una unidad nueva, esta venga equipada con el control de

capacidad adecuado a las necesidades de la planta y que sea un coadyuvante en el

ahorro de energa.


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Vale la pena mencionar en primera instancia que un control de capacidad especial,

prcticamente, no ahorrar energa si ese compresor va a operar a 100% de su

capacidad, o cerca de eso, o que opere a cargas parciales por perodos breves. En la

adquisicin de un compresor es usual que un proveedor ofrezca al cliente compresores

que le pueden ahorrar grandes cantidades de energa por el simple hecho de usar tal o

cual tipo de control de capacidad, cuando en realidad no se necesite el mismo. Por otro

lado, queda establecido que en todo compresor se necesitar un control de capacidad

para evitar que la presin rebase el lmite establecido de fbrica o por la planta.

Para lograr que el compresor opere a cargas parciales se emplean varios sistemas de

control:

A. Paro y arranque automtico.

B. Carga y Descarga.

C. Control Dual.

D. Modulacin.

E. Desplazamiento variable Vlvula de Giro o VCC (control capacidad variable).

F. Velocidad Variable.

En algunos casos una combinacin de estos mejora el desempeo del compresor a

cargas parciales. Un sistema de control donde la operacin de los compresores sea

secuenciada es importante en el ahorro de energa, ya que trabajan slo los equipos que

la planta demanda. Cada uno de los aqu enunciados tiene sus ventajas en cuanto a que

su propsito es el de reducir el desperdicio de energa a cargas parciales.

Los diferentes tipos de controles de capacidad que existen en la industria estn valorados

en su desempeo por institutos como el CAGI (Compressed Air and Gas Institute) y elCAC (Compressed Air Challenge), ambos en Estados Unidos de Amrica del Norte, con la

intencin de que los ingenieros de aplicacin proporcionen esta informacin a los usuarios

de aire comprimido para la mejor seleccin del control de capacidad a utilizar.

Las curvas mostradas a continuacin son actualmente avaladas por los principales

fabricantes de compresores en el mundo, tomadas de la sexta edicin del

COMPRESSED AIR AND GAS HANDBOOK publicado por CAGI.


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Paro y Arranque Automtico

En su aplicacin correcta es muy eficiente porque cuando no hay demanda de aire el

motor se para. Es indispensable la instalacin de un tanque de almacenamiento de

suficiente capacidad para evitar que el motor arranque ms de seis veces por hora

evitando con esto el sobrecalentamiento del motor. Este control de capacidad es aplicado

principalmente a equipos pequeos hasta 15 o 20 HP.

Carga y descarga

El compresor se descarga cuando la demanda disminuye y el motor contina a velocidad

constante. Este sistema es eficiente cuando los perodos de descarga son breves, porque

si se alargan entonces ocurren prdidas por friccin y deficiencia en el motor al trabajar

sin carga (disminucin del factor de potencia). Este sistema tambin necesita un tanque

de almacenamiento. (Ver Grfica No. 2.)

Grfico 2. Curva de consumo energtico a diferentes cargas para un sistema de control carga y descarga.


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Ejemplo: Un compresor de 100 HP, que entrega aproximadamente 500 PCM, cuenta con

un control de capacidad carga/descarga y un tanque de almacenamiento de 500 galones

dando 1 Gal/PCM.

Si el compresor esta trabajando a carga parcial entregando 300 PCM, ste se encuentra

operando al 60% de su capacidad. Este equipo consumira aproximadamente el 90% de

la energa del motor principal con un tanque de 500 galones. Si este mismo sistema, al

mismo porcentaje de carga pero con un tanque de almacenamiento de 10 Gal/PCM,

consumira cerca del 75% de la energa del motor principal.

Hay un ahorro del 15% de energa elctrica en relacin al tanque de 1 Gal/PCM.Lamentablemente, el volumen del tanque de almacenamiento sera de 5,000 galones, un

tanque demasiado grande y el costo de adquisicin del paquete seria muy alto.

Ms del 90% de los compresores instalados en todo el territorio nacional con un control de

capacidad de carga/descarga tienen un tanque de almacenamiento mal aplicado y existe

una gran oportunidad de ahorro de energa elctrica.

Control Dual

Este sistema combina los dos sistemas anteriores. Al llegar a su presin de corte, el

compresor se descarga y as permanece hasta que baje la presin del sistema. Pero, si

esta tarda en llegar en un perodo de tiempo predeterminado, el motor se apagar y solo

arrancar cuando baje a la presin de arranque. Necesita un tanque de almacenamiento

y un temporizador. Este control es aplicado principalmente hasta compresores de hasta

50 HP.

Modulacin

Como su nombre lo indica, el caudal del compresor se adapta a la demanda de la planta

manteniendo una presin constante y sta variar solo si la demanda tambin vara.

Conforme se reduce la demanda, la vlvula de succin se cierra parcialmente reduciendo


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el paso del aire. Si la demanda contina bajando, la vlvula se sigue cerrando hasta

llegar a un punto donde la operacin se considera ineficiente y es all donde la unidad se

descarga y trabaja en vaco hasta que la presin baje y se reanude la operacin con

carga. Si no hubiera demanda por un lapso de tiempo, el control mandar la seal de

paro y as permanecer hasta que reciba la seal de arranque por haber llegado al lmite

de baja presin.

Si no se aplica el sistema de paro total, el sistema no necesitar de un tanque de

almacenamiento. El sistema de modulacin es eficiente para cargas parciales hasta de

un 80% y menores hasta de 50% si ocurren espordicamente. Esta es una buena opcin

en la mayor parte de las aplicaciones por ser stas de cargas parciales frecuentes.

Grfico 3. Curva de consumo energtico a diferentes cargas para un sistema de control de modulacin.

Ejemplo: Un compresor de 100 HP entrega aproximadamente 500 PCM con control decapacidad modulacin y sin tanque de almacenamiento. Si el compresor est

trabajando a carga parcial entregando 300 PCM; se encuentra operando al 60% de su

capacidad. De acuerdo al Grfico 3 a este porcentaje de capacidad el consumo de

energa elctrica es del 88%. Comparando: control de capacidad carga/descarga con un

tanque de almacenamiento de 1 Gal/PCM vs modulacin, prcticamente el consumo de

energa es el mismo a este porcentaje de capacidad.


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Es por esto que un control de capacidad de modulacin tpicamente no requiere tanque

de almacenamiento ya que la vlvula de succin compara la demanda del sistema y se

ajustar automticamente para permitir que entre al compresor nicamente la cantidad de

aire que se necesita para mantener una presin constante.

Control de Desplazamiento Variable o Vlvula Espiral

Los sistemas de control indicados anteriormente cumplen muy bien su objetivo de

controlar la presin del sistema y evitar sobre-presiones, y de ahorrar energa. Sin

embargo, en este ltimo campo no son muy eficientes. El sistema de arranque y pare esviable nicamente para compresores pequeos (10 HP para abajo), el sistema carga y

descarga requiere de un gran tanque de

almacenamiento de aire para considerarlo eficiente

(del orden de al menos 5-10 gal/PCM) y el sistema

de modulacin se vuelve muy ineficiente a bajas

cargas debido a que se incrementa la relacin de

compresin al estrangular la admisin.

Existe otro mtodo de control para los compresores

de tornillo, llamado Control de Desplazamiento

Variable. El principio de funcionamiento de este

sistema es el hecho de que la entrega de aire es

proporcional a la longitud de los tornillos. Aunque

la longitud de los tornillos es fsicamente imposible

variarla durante la operacin del equipo, la longitud

efectiva de compresin s se puede variar. Esto sehace mediante la utilizacin de una carcasa de la

unidad compresora que tiene puertos de desvo

(by-pass). Estos puertos se van abriendo o

cerrando de acuerdo a si la presin baja o sube, lo

cul es un indicador de que la demanda de aire

sube o baja, respectivamente. Al abrir o cerrar los

puertos, se vara el desplazamiento de aire y as la


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entrega del mismo. Por lo tanto, cuando el consumo es mayor o igual a la capacidad del

compresor, ste entrega su plena capacidad de aire. Si el consumo disminuye, el equipo

entra a modular con la vlvula de desplazamiento variable (vlvula espiral), la cual ajusta

la entrega a la demanda, manteniendo constante la presin (esto elimina la necesidad de

tanques de almacenamiento de aire comprimido porque el sistema es de ajuste continuo:

de posicionamiento infinito). Esta vlvula NO estrangula la admisin del compresor, con

lo cul mantiene constante la relacin de compresin, siendo ms eficiente este mtodo

que la estrangulacin simple. La vlvula espiral acta entre el 100% y el 55% de la

capacidad del compresor. El tercer paso de control es cuando el consumo disminuye an

ms y entre el 55% y el 40% de la capacidad, acta el control de modulacin simple. En

esta etapa se estrangula la admisin, producindose el mismo efecto: la presin semantiene prcticamente constante (no se necesita tanque). Si el consumo cae por debajo

del lmite del 40%, el compresor entra a la etapa de marcha en vaco, manteniendo

nicamente la presin interna necesaria para asegurar la lubricacin. En esta etapa, o

bien, el equipo pasa nuevamente a plena carga si el consumo se reanuda, o se apaga si

sigue trabajando en vaco durante un tiempo que es programable entre 0-60 minutos.

Durante el tiempo en que el compresor se apag dado esta condicin, ste puede

arrancar automticamente una vez que se reanude el consumo de aire.

Grfico 4. Curva de consumo energtico a diferentes cargas para un sistema de control de desplazamiento

variable (vlvula espiral).


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El costo de tener la carcasa con los puertos de desvo (by-pass) hace que este tipo de

control sea rentable a partir de los compresores de 100 HP.

Ejemplo: Un compresor de 100 HP entrega aproximadamente 500 PCM con control de

capacidad desplazamiento variable y sin tanque de almacenamiento. Si el compresor

est trabajando a carga parcial entregando 300 PCM; se encuentra operando al 60% de

su capacidad. A este porcentaje el consumo de energa es del 69% (ver Grfico 4). Este

tipo de control de capacidad comparado con los dos anteriores tiene un ahorro del 21% de

consumo de energa elctrica en este punto de operacin. Este control de capacidad de

desplazamiento variable equivale a tener un tanque de almacenamiento de 13 Gal/PCM,

que en este ejemplo (compresor de 100 HP) sera equivalente a un tanque de 6,500galones. El costo de este control de capacidad es mnimo comparado con el costo de un

tanque del volumen indicado.

Este sistema slo o combinado con otros sistemas de control usualmente es una de las

mejores opciones energticas disponibles para la operacin a cargas parciales para

compresores de tornillo de 100 HP o ms.

Control mediante Motor de Velocidad Variable

En este tipo de control el caudal se adapta a la demanda al variar la velocidad del motor

elctrico por medio de un variador de frecuencia, en el rango de un 20 a 100% de la

capacidad del equipo. Ya que los compresores de tornillo tienen una velocidad ptima de

operacin, similar a la de las bombas centrfugas de lquidos, stos tienen un punto de

mxima eficiencia. Al variar la velocidad se saldr de este punto produciendo cierta

ineficiencia a altas o bajas velocidades.

Al reducir la demanda se reduce la velocidad y se reduce la potencia requerida del motor

de igual manera, por lo que se tiene un ahorro energtico cercano a lo deseable. Sin

embargo, hay que considerar que cerca de plena carga o a bajas cargas, la eficiencia de

la unidad compresora disminuye considerablemente. El punto de diseo ptimo del

equipo es cercano al 75% de la capacidad del mismo, por lo que este sistema de control


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es eficiente en aplicaciones en que la variacin de carga mayoritariamente va a

mantenerse en el rango de un 60% - 90% de la capacidad.

Tpicamente un compresor con este tipo de control de capacidad entrega alrededor de 5%

menos aire a plena carga que un compresor con otro tipo de control de la capacidad.

Este dato puede ser mayor o menor dependiendo de la marca y diseo del equipo. Otro

aspecto importante a considerar es que el variador de velocidad consume cierta cantidad

de energa fija, por lo que a la potencia total del paquete se le deber sumar lo consumido

por este dispositivo.

Grfico 5. Curva de consumo energtico a diferentes cargas para un sistema de control de velocidad variable.

Debido a que la eficiencia de la unidad compresora vara con la entrega de aire, algo que

no ocurre con los otros sistemas de control, no es correcto comparar porcentualmente el

consumo energtico de estos equipos contra estos otros sistemas de control. Para hacerel comparativo en forma correcta es necesario hacerlo con cifras de demanda en PCM y

no en porcentaje de carga de cada equipo. Para comprender mejor estos puntos

anteriores se presenta a continuacin un ejemplo comparativo.

Ejemplo: Un compresor de 100 HP entrega aproximadamente 475 PCM con control de

capacidad velocidad variable y sin tanque de almacenamiento. Si el compresor est

trabajando a carga parcial entregando 300 PCM; se encuentra operando al 63.16% de


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su capacidad. El consumo de energa ser del 65%. Sin embargo, a este dato hay que

sumarle la energa que consume el variador de velocidad, la cul podra ser cercana a

3%, dando un total de 68%. Este control tiene una ventaja del 1% en cuanto a consumo

de energa elctrica respecto al ejemplo anterior con control de desplazamiento variable

en este punto de requerimiento de aire (300 PCM). Sin embargo, si se hace este mismo

ejercicio con los mismos equipos, pero para un consumo de 450 PCM el sistema de

control de desplazamiento variable es mucho ms eficiente. De lo anterior se desprende

que para determinar la conveniencia o no del sistema de control de velocidad variable es

necesario hacer un anlisis de caso por caso.

Unidad Compresora de Dos Etapas en Serie

La ventaja del diseo de los compresores de dos etapas en serie es que ofrecen un

menor consumo especfico de energa que los tradicionales de una etapa o de dos etapas

en paralelo. Esto es por dos razones bsicas: la compresin se divide en dos etapas y

existe un enfriamiento entre etapas.

En un compresor de una etapa operando a 100 PSIG (7.6 bar) al nivel del mar, el radio decompresin es de 7.8 a 1 (en trminos absolutos). Un compresor de dos etapas operando

a la misma presin va a tener un radio de compresin de 2.8 a 1 en cada etapa (2.8 es la

raz cuadrada de 7.8), dando as una relacin de compresin total inferior y as un ahorro

energtico. Adicionalmente, al ser inferior la relacin de compresin, las fugas internas

causadas por el diferencial de presin se reducen considerablemente.

Un beneficio adicional es que al dividir la relacin de compresin en dos etapas, el

compresor de dos etapas va a exceder en forma significativa la vida til de un compresorpromedio de una etapa.

Es bien conocido que el ciclo ms eficiente de compresin es el isotrmico, que es al que

se le aproxima el tornillo lubricado. Al tener dos etapas de compresin en tornillo

lubricado nos aproximamos ms an al ciclo ideal termodinmico isotrmico, pues se

cuenta con una refrigeracin inter-etapas. En la primera etapa, con una relacin de

compresin 2.8, se entrega el aire a una presin intermedia de 40 psig y un incremento


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moderado de temperatura. Luego pasa directamente a la segunda etapa y aqu es donde

se hace la refrigeracin intermedia pues en este momento se inyecta aceite fresco

proveniente del radiador, con lo que se baja la temperatura antes de iniciar la segunda

etapa de compresin.

Todo esto ayuda a lograr un proceso de compresin que es del orden de 12% mseficiente (a plena carga) que en uno de etapa simple o de etapas en paralelo.

Eficiencia de los Motores

La eficiencia del motor principal o el (los) motor (es) de enfriamiento es un factor

importante en el ahorro energtico. Para un motor de 100 HP, una diferencia de un 1%

en la eficiencia equivale a $500 anuales en energa elctrica.

Es importante considerar que en la eficiencia de los motores intervienen dos factores: los

del diseo y construccin del motor (calibre de los arrollados, material de laminacin,

espesor y geometra de las ranuras, materiales del rotor, entre otros) que determinan la

eficiencia inherente del motor; y las condiciones de operacin (voltaje entre las fases de la

fuente de alimentacin, carga mecnica, entre otros) que las puede controlar el usuario

hasta cierto punto.


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Transmisin de Potencia

Existen principalmente tres tipos de acoples para la transmisin de potencia entre el motor

principal y la unidad compresora: directo, por engranajes y por fajas. El acople directo da

una eficiencia del 100%, pero tiene un costo mayor, pues la unidad compresora es

fabricada especficamente para cada potencia y no se utiliza una sola para varias

potencias como comnmente se hace. El acople por engranaje tiene una eficiencia de

alrededor de 99%. Finalmente, el acople por fajas tiene una eficiencia de alrededor del

96%. Este ltimo es el tipo de acople ms econmico, pero ineficiente y requiere demantenimiento continuo.

Diseo de los Intercambiadores de Calor

En un diseo para abaratar costos, un fabricante puede tener un intercambiador de calor

sub-dimensionado con uno o varios motores y ventiladores de mayor capacidad. Aunque

esto disminuye el costo inicial del equipo, el costo de operar de estos motores se debeconsiderar en los costos totales asociados al equipo, pues puede ser que la diferencia se

pague en muy poco tiempo.

Sobredimensionamiento

Por falta de conocimiento, en muchas industrias se tienen operando compresores de

capacidades mucho mayores a lo que realmente requieren. Esto se puede deber a que

todava existe la mentalidad del compresor reciprocante, por traslado de compresores de

una planta a otra, una anticipacin a necesidades futuras o porque el comprador no

conoce sus requerimientos reales, entre otros.

Estos equipos sobredimensionados causan un alto consumo energtico, mayores costos

de mantenimiento y alto acarreo de lubricante.


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Equipo para Remocin de Contaminantes

El aire atmosfrico que ingresa al compresor contiene humedad, polen, polvo, bacteria,

hidrocarburos y microorganismos, entre otros. En el proceso de compresin aparecen

ms contaminantes, como vapores de aceite, xido y partculas de desgaste. Todos

estos elementos son considerados contaminantes en el aire comprimido. De acuerdo a la

aplicacin en que se utilizar el aire, es necesario cierto nivel de remocin de los mismos.

Para ello es necesario un proceso de secado del aire y de filtrado.

Cada dispositivo para el secado o remocin de otros contaminantes produce una prdidade presin cuando el aire pasa por ellos. Esto obliga a incrementar la presin de salida

de los compresores para mantener la presin adecuada corriente abajo, lo que ocasiona

un incremento en los costos por consumo de energa.

Como recomendacin, se debe emplear el tipo correcto de secador y de filtros para

conseguir slo el nivel de limpieza necesario para cada aplicacin. No es conveniente,

desde el punto de vista energtico, secar o filtrar ms de la cuenta. Si uno o dos usuarios

finales requieren un aire de mejor calidad, lo ms recomendable es tratar solamente eseaire para que llegue al nivel de pureza requerido para la aplicacin en cuestin, y no todo

el aire producido por los compresores.

Drenajes

Existen principalmente tres tipos diferentes de drenajes para remover el agua que se

condensa luego de los post-enfriadores, secadores o en la tubera en general: mecnicostipo flotador, vlvulas solenoides accionadas elctricamente, y vlvulas solenoides con

sensado de nivel.

Los drenajes tipo flotador son meramente mecnicos, pues el agua que se va acumulando

en la trampa levanta una boya, la cul permite que el agua sea liberada por una tubera

para tal fin. Este tipo de trampa requiere de un mantenimiento peridico debido a que

usualmente se forman sedimentos que traban la trampa (evitando que se elimine el agua)


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o no permiten que cierre bien, dejando escapar constantemente aire comprimido al

ambiente (prdida de dinero).

Los drenajes del tipo de vlvula solenoide usualmente son menos problemticos. A este

tipo de drenaje se le programa el tiempo entre aperturas de su electrovlvula y durante

cuanto tiempo permanece abierta la misma. La desventaja que tienen es que su

compuerta se abre durante el tiempo programado exista o no condensados, lo que en

ciertos casos se traduce en prdidas innecesarias de aire comprimido, lo que se traduce

en prdida de dinero.

El tercer tipo, vlvulas solenoides con sensado de nivel, operan similar a la anterior, con ladiferencia de que solamente abren cuando haya agua presente en el sistema y cierran

antes de que empiece a escaparse el aire por el drenaje. De esta manera se tiene cero

prdidas de aire, por lo que se tienen ahorros energticos respecto a los otros tipos de

drenajes.

Controlador de Flujo

La demanda total en un sistema de aire comprimido es la sumatoria de todos los eventos

de carga que ocurren en un sistema en un momento determinado. El aire fluye desde un

punto de alta presin a un punto de menor presin. Al igual que el agua, toma la ruta en

la que encuentra menor resistencia. Ello significa que, en cualquier momento dado, la

direccin del flujo en un sistema de aire comprimido puede cambiar y que la direccin del

flujo podra ser diferente en distintas secciones del sistema. La velocidad con que el aire

fluye hacia el punto de demanda depende de la diferencia (o gradiente) de presin creada

por la demanda y las caractersticas del sistema de aire. En consecuencia, los constantescambios que tienen lugar en la demanda del sistema suelen convertirlo en un sistema

muy dinmico y, en muchos casos, nos valemos slo de los controles de los compresores

para adaptar la oferta a esa dinmica.

Veamos un ejemplo de un evento de carga que hace que el sistema sea tan dinmico.

Supongamos que tenemos una mquina o proceso que peridicamente utiliza 50 pies

cbicos (1,4 metros cbicos) de aire durante 5 segundos. Si son 50 pies cbicos en 5


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segundos, en 60 segundos que hay por minuto, esta cantidad equivale a 600 PCM (17

m3/min.).

50 PC/5 seg X 60 seg/min = 600 PCM

Esto equivale a un compresor con una potencia de 125 caballos de fuerza!!!

Aunque el evento dure slo 5 segundos, se necesitara un compresor de 125 caballos de

fuerza para satisfacer la demanda sin afectar la presin del sistema.

Qu sucede cuando la capacidad real necesaria para satisfacer la demanda del sistema

supera la capacidad total disponible de los compresores en lnea? La presin del sistemadisminuye. Esto podra suceder si la capacidad total de los compresores en un sistema

no es suficiente para satisfacer los picos de demanda. Tambin podra pasar si el evento

que provoca el pico de demanda ocurre muy rpidamente y los compresores que se

encuentran en espera no pueden reaccionar con rapidez suficiente para cargar o para

arrancar, de modo de satisfacer el pico de demanda o hacer frente a la falla del

compresor que est en marcha. Aunque haya suficiente capacidad de compresores en

lnea, si la capacidad est reducida por modulacin, algunos controles pueden no tener la

rapidez suficiente para reaccionar a demandas cortas y repentinas como la de 50 piescbicos durante 5 segundos.

Qu sucede si la presin del sistema cae, aunque sea por un momento, por debajo del

nivel aceptable? Incluso si el equipo en el punto de uso no deja de funcionar, la calidad o

la productividad pueden verse afectadas.


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Por ello, si un usuario llama al encargado del cuarto de compresores para decirle que el

sistema est causando problemas de calidad o desperdicios porque la presin de aire es

demasiado baja, qu hara usualmente esta persona? SUBIR LA PRESIN! As,cuando los picos de demanda hagan bajar la presin del sistema, al menos no la llevar

por debajo de la presin mnima aceptable. Problema resuelto, verdad?

Quizs no lo vuelvan a llamar porque el sistema tenga baja presin, pero, se ha resueltoen verdad el problema o se han creado algunos nuevos?

Estn los compresores diseados para funcionar con una mayor presin o se ver

afectada su vida til y confiabilidad?

Qu sucede con los otros equipos del sistema de aire comprimido? Los filtros y

secadores tienen el mismo rendimiento cuando hay mayor presin o disminuir la

calidad del aire?

Todos los usuarios del aire comprimido del sistema se desempean correctamentecon mayor presin o se vern afectadas la calidad y la productividad?

Cmo reaccionan estos usuarios del aire comprimido a las amplias fluctuaciones de

presin que se producirn?

Qu sucede con la demanda artificial (trmino a explicarse luego, en la seccin de la

demanda)? Qu sucede con la demanda del sistema cuando aumenta la presin?

La demanda tambin aumenta!


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Lo que generalmente hace que las plantas no reduzcan la presin de sus sistemas y, en

realidad, lo que suele llevarlas a aumentar la presin de esos sistemas es el hecho de que

hay fluctuaciones en la presin de aire.

Qu sucede cuando un sistema de aire comprimido tiene presin de aire fluctuante?

La persona responsable del sistema de aire comprimido recibe las quejas del sector

de manufactura respecto de la prdida de produccin.

La mayora de los equipos que usan aire comprimido como fuente de energa

funcionan mejor con un rango de presin que sea reducido y preciso. La presin de

aire fluctuante hace que los equipos tengan un rendimiento desigual.

En el mejor de los casos, una presin de aire fluctuante significa que la calidad del

producto ser variable.

En el peor de los casos, puede significar interrupciones en la produccin, productos

defectuosos y desperdicios.

Si el equipo recibe ms o menos presin que la que est diseado para recibir, la

presin de aire fluctuante aumentar los costos de mantenimiento.

La presin de aire fluctuante incluso puede ocasionar fallas prematuras en los

equipos.

Si se aumenta la presin del sistema para compensar la presin de aire fluctuante, el

sistema tendr mayores costos operativos que un sistema optimizado.

Entonces, a qu se debe la fluctuacin de la presin de aire? Insuficiente potencia en

lnea (hp) para cubrir el pico de demanda o una falta de almacenamiento til.

Recordemos nuestro ejemplo anterior sobre el evento de carga en el que tenamos una

demanda de 50 pies cbicos (1,4 metros cbicos) durante 5 segundos. Esto equivala a

un compresor con una potencia de 125 caballos de fuerza. Podramos tener dos posibles

respuestas para solucionar este evento de carga sin afectar la presin del sistema. Una

de esas respuestas es contar con suficiente potencia en caballos de fuerza como para

satisfacer la sobrecarga que dura 5 segundos. Ello significara que habra que tener 125

caballos de fuerza en lnea. La segunda posible respuesta sera liberar 50 pies cbicos

(1,4 metros cbicos) de aire desde el almacenamiento durante 5 segundos y luego

reponerlo a lo largo de cierto perodo de tiempo. Para reponer esa carga en un perodo


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de dos minutos, se necesitara el equivalente a un compresor de 7,5 caballos de fuerza.

Son claras las ventajas de poner en funcionamiento un compresor de 7,5 HP en lugar de

tener un compresor de 125 HP en lnea para satisfacer el evento de carga.

El perfil de la demanda para la mayora de los sistemas de aire comprimido es muy

dinmico. No slo hay frecuentes perodos en que la demanda supera la capacidad de

los compresores disponibles, sino que tambin hay frecuentes perodos en que la

capacidad de los compresores es mayor que la necesaria. Para satisfacer las fluctuantes

demandas del sistema y los perodos en que hay picos de demandas que exceden la

capacidad de los compresores, el aire se puede almacenar durante los perodos de menor

actividad. Al controlar la liberacin de aire desde el almacenamiento, se puede satisfacer

los picos de demandas y estabilizar la presin del sistema. A menudo, se dar el caso en

que, gracias al almacenamiento til, se puede evitar poner en marcha y cargar el

compresor que sigue en la secuencia.

Si se agrega un tanque de almacenamiento al sistema de aire comprimido sin ningn

dispositivo para controlar la presin del flujo, no sera un almacenamiento til. El receptor

crear una zona inactiva porque la velocidad del aire caer, pero, a menos que haya un

diferencial de presin entre el tanque de almacenamiento y el resto del sistema, no habr

almacenamiento de energa til.

Si se agrega un dispositivo especial conocido como controlador de flujo, se crear una

fuente de energa almacenada en el sistema. Al controlar la liberacin de esta energa

almacenada, el controlador permite cubrir los picos de demandas, evitar la fluctuacin de

presin que causara estragos en un sistema de aire comprimido y ahorrar energa.


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Por qu no utilizar simplemente un regulador

comn? Ambos sirven para controlar la presin,

pero eso es todo lo que tienen en comn.

Recordemos nuestro ejemplo de evento de

carga en que se requeran 50 pies cbicos

(1,4 m3) durante 5 segundos. Eso equivala a

un aumento de la demanda de 600 PCME, y

quizs, sa puede no ser la mayor fluctuacin

de carga en un sistema tpico. El dispositivoque controla la liberacin desde el

almacenamiento debe responder con mucha

rapidez a los cambios bruscos de la

demanda. Dicho de otra manera, debe tener

una alta ganancia. Los reguladores comunes responden lentamente. Una ventaja

clave del controlador de presin de flujo es su diseo de vlvulas paralelas que

permite que un movimiento muy pequeo en la vlvula origine un gran cambio en el

flujo de aire, lo que lo convierte en un dispositivo de alta ganancia y muy rpidarespuesta.

Un regulador estndar posee un diferencial de entre 8 y 20 libras por pulgada

cuadrada (DLPC) (entre 600 y 1.400 gramos por centmetro cuadrado). Recuerde que

debe haber un diferencial entre la presin del almacenamiento y la del sistema para

que la energa almacenada sea til. Si el regulador de presin requiere un diferencial

de entre 8 y 20 libras para poder funcionar, la presin de almacenamiento debe ser

tanto ms alta. Ello significa que se consume ms energa a fin de aumentar la

presin en el almacenamiento slo para cubrir la prdida de presin originada en lavlvula.

Una caracterstica clave del controlador de presin de flujo es que mantiene el valor

prefijado de la presin del sistema en todo el rango de flujo de la vlvula. El valor

prefijado de un regulador estndar de presin caera a medida que se modifique el

flujo.


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Para encontrar el controlador adecuado, slo se debe sumar la capacidad nominal de

todos los compresores del sistema y seleccionar el controlador que satisfaga o supere esa

capacidad total.

Nota: Para aquellas aplicaciones con valores prefijados de presin del sistema por

debajo de los 50 psig hasta los 20 psig, con una baja presin diferencial de control,

se debe seleccionar el siguiente modelo ms grande a fin de minimizar la cada de

presin en el controlador.

Para que todo controlador de presin de flujo funcione correctamente, debe contar con el

almacenamiento adecuado que lo abastezca. Muchos factores intervienen para lograr un

almacenamiento de tamao ideal, entre ellos:

Los tiempos de puesta en marcha de los compresores.

El tiempo de respuesta de las estrategias que se utilizan para controlar los

compresores.

Qu duracin y qu tamao tienen los eventos de carga temporales que suceden en

el sistema? Se puede evitar poner en marcha un compresor si se utiliza un

almacenamiento del tamao adecuado bien controlado?

Cmo se evita el apagado no intencional de un compresor?

Cmo se solucionarn los eventos de carga extraordinarios?

La mejor manera de optimizar el almacenamiento para una aplicacin especfica es llevar

a cabo una evaluacin o auditora del sistema. Ello permitir identificar las condiciones

operativas dentro de la planta y garantizar que el tamao del almacenamiento no sea

mayor ni menor que lo necesario.

Si no resulta prctico realizar una evaluacin o auditora, al colocar un controlador de

presin de flujo,se pueden seguir ciertas reglas generales para estimar los requisitos del

almacenamiento. El Grfico 6 que se muestra a continuacin detalla el tamao

recomendado de almacenamiento segn la capacidad total de los compresores y la

presin diferencial operativa entre el almacenamiento y el sistema. El tamao se basa en


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el hecho de que la energa almacenada debe ser suficiente para respaldar la salida total

de los compresores ms un 50% adicional sobre este valor durante 30 segundos.

Sullair FlowLogicCapacidad del Compresor ms Capacidad de Almacenamiento = Flujo del sistema de 150%

por 30 segundos

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

8000

9000

10000

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 5500 6000

Capacidad del Compresor (SCFM)

TamaodelTan

que(galones)

5 PSID 10 PSID 15 PSID 20 PSID 25 PSID 30 PSID

Grfico 6. Dimensionamiento del Tanque de Almacenamiento.

Por ejemplo, si la capacidad total de los compresores del sistema es 1.500 PCM, el aire

se almacena a 100 psig nominales y el sistema se controla a 80 psig (con lo que se

obtiene un diferencial disponible de 20 DLPC), se requiere un almacenamiento de 2.000

galones (7.571 litros).

Si ya existe un almacenamiento en el sistema, se puede utilizar el Grfico 7 para

determinar el almacenamiento utilizable para un diferencial de presin determinado entre

el almacenamiento y el sistema. Utilizando los 2.000 galones de almacenamiento y el

diferencial de 20 psi mencionados en el ejemplo anterior, este cuadro muestra un

almacenamiento utilizable de 375 pies cbicos (10,6 metros cbicos). Estos 375 pies3

proporcionan una capacidad de un 50% adicional para un sistema de 1.500 PCM durante

30 segundos (375 pc/30 seg x 60 seg/min = 750 PCM = 0,5 x 1.500 PCM).


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Sullair FlowLogic

0

500

1000

1500

2000

2500

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 10000

Tamao del Tanque (galones)

Almacenamientotil(PCE)

5 PSID 10 PSID 15 PSID 20 PSID 25 PSID 30 PSID

Grfico 7. Almacenamiento utilizable.

Ahorros en la Demanda

El primer paso para determinar como ahorrar energa en el lado de la demanda es

necesario conocer cmo se distribuye el consumo del aire comprimido que se suministra.

En una planta tpica, el consumo es como el que se indica en el Grfico 8.

Grfico 8. Distribucin del consumo del aire comprimido suministrado en una planta tpica.


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(0,7 cm) a la misma presin de 100 psig liberar 80 PCME de aire a la atmsfera. Al

reducir el dimetro del orificio en un 10%, el flujo disminuye en un 20%.

La otra manera de reducir el flujo es disminuyendo la presin corriente arriba. Empleando

el tamao original del orificio de 5/16 pulgadas (0,8 cm), una presin corriente arriba de 80

psig producir un flujo de 80 PCME. Si se reducen tanto el tamao del orificio como la

presin, el flujo disminuir a 66 PCME. El mayor consumo innecesario de aire que se

requiere debido a que la presin del sistema es mayor que la necesaria se denomina

demanda artificial.

Cadas de Presin

Las cadas de presin por friccin son prdidas energticas irrecuperables. Estas cadas

se deben principalmente a tuberas mal dimensionadas u obstruidas, mal diseo de la red,

muchos codos o figuras, dispositivos innecesarios en la red (flujmetros, filtros, etc.), y el

uso de mangueras para la conexin con los equipos.

Auditoras del Aire Comprimido

Como se ha mencionado anteriormente, muchos de los problemas de los sistemas de aire

comprimido se deben a desinformacin por parte de los encargados sobre su sistema.

Existen herramientas, como las auditoras del aire, que brindan un detallado informe que

proporciona los datos necesarios a fin de tomar decisiones sensatas para implementar

mejoras en el sistema de aire segn hechos concretos.

Una auditora es una revisin de todoel sistema: desde el lado del suministro, pasando

por la distribucin, hasta el punto de uso. Emplea registros de datospara documentar el

rendimiento del sistema. Registra diferentes caractersticas (presin, potencia, punto de

condensacin, etc.) simultneamente durante varios das. El intervalo de registro debe

ser rpido como para seguir la dinmica del sistema.


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La auditora proporciona un anlisis objetivo con documentacin de los datos e

identifica claramente los puntos que se pueden mejorar y proporciona recomendaciones

especficas imparciales.

Existen diversos tipos de auditoras disponibles; desde sencillas y baratas (que consisten

en un recorrido por la planta detectando problemas que saltan a la vista), hasta complejas

y costosas (equipo especial por varios das tomando datos de presin, consumo

energtico, etc. con grficos de desempeo y anlisis).

Conclusin

El primer paso para el inicio del ahorro energtico en aire comprimido es la

concientizacin del costo del mismo. El segundo paso es conocer su sistema desde el

suministro hasta la demanda de aire. Finalmente, lo que queda es tomar accin!

En este documento se indican las reas principales a considerar para ahorro energtico,

sin embargo, por aspectos de espacio, no se muestran todas. Cualquier suplidor serio de

compresores de aire puede hacerle un anlisis de su sistema y guiarlo hacia la obtencin

de un sistema ptimo y eficiente.

Ahorro Energético en el Aire Comprimido

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