Compresores de aire: desde la perspectiva del motor

Finalidad y objetivos Comprender las consecuencias ligadas a los sistemas de aire comprimido. Comprender como seleccionar y controlar un compresor de aire de manera óptima para cumplir con las necesidades reales. Comprender que los problemas de los sistemas tienen un gran impacto en las horas de funcionamiento del motor. Aprender a formular preguntas pertinentes sobre los sistemas de aire comprimido durante las auditorías de motores - ¡para saber siempre qué decir y para aprender más sobre el funcionamiento de la planta!

Índice • • • • • • •

Costo del aire comprimido Compresores de aire Control de los compresores de aire Recuperación de calor Tratamiento Demanda Fugas

Costo del aire comprimido

¿Por qué se puede ganar mucho con el aire comprimido? • En principio, la mayoría de los sistemas de aire comprimido se diseñan: con la suposición de que "más" es mejor, en lo que se refiere al suministro, dándole poca o ninguna importancia a la eficiencia del sistema, sin ningún plan para el caso en que la demanda del sistema aumente o disminuya, con el objetivo de lograr el "costo inicial más bajo“, y con una demanda que no tiene nada que ver con cómo evolucionaron las cosas. Y necesitan mantenimiento periódico

¿Cuál es el precio de entrega del aire comprimido?

Por kWh Basado en un costo de la electricidad de 1 rand/kWh

Costo de la vida útil de los compresores de aire

Compresor de aire de velocidad variable Ingersol Rand Nirvana

Sistemas de aire comprimido

Compresores de aire

Costo de la vida útil de los compresores

"Donde pagará todos los errores realizados en otras partes del sistema"

75% Costo de la energía 10% Mantenimiento 15% Capital

La familia de los compresores Compresores

dinámicos

de desplazamiento positivo

rotativos de tornillo sin aceite

reciprocante de paletas deslizantes

con inyección de aceite

sin aceite

centrífugos

axiales

(solo sin aceite) (solo sin aceite)

con inyección de aceite

Gráfico de rangos

Gráfico de eficiencias

Usos de la presión Alta presión 2: ensayos de estanqueidad, centrales eléctricas y plantas de laminación, compresión de oxígeno. Compresores: Compresores de pistón de 3 o 4 etapas Alta presión 1: ensayos de presión en tuberías, moldeo por soplado de contenedores de plástico. Compresores: Compresores de pistón de 3 etapas y de tornillo Presión media: Neumáticos de vehículos pesados, maquinaria especial Presión baja: La mayoría de los usos industriales y comerciales se encuentran dentro de este rango de presión. Compresores: Compresores de pistón de 1 o 2 etapas, de tornillo y centrífugo.

100%

93%

86%

79%

72%

65%

58%

9 8 7 6 5 4 3 2 1 0

51%

P re s ió n B a r

Reducción de la presión - Reducción de los costos

P o te n c ia c o n s u m id a

"Una reducción de 1 bar ahorra entre un 6% y 7% de la energía"

Compresores reciprocantes De efecto simple, de una sola etapa

De efecto simple, de dos etapas

De efecto doble, de una sola etapa

Sistemas de aire comprimido

Turbocompresor centrífugo

Características: Capacidad: 35 - 1200 m3/min Etapas: 1 - 6 Rango de presión: 3 - 40 bar (g) Rango de velocidad: 3000 - 80000 min-1

Control de los compresores de aire

Control de los compresores de aire de desplazamiento positivo

Bombeo límite (surge) natural Punto de diseño

Presión de diseño Rango de disminución (turndown)

Ahogo

Flujo de diseño

Presión

Características de rendimiento de los compresores centrífugos

Volumen

La importancia de la dimensión del compresor Los compresores que operan con carga parcial tienen una eficiencia operativa deficiente.

Las líneas rojas indican el consumo específico de energía (SEC). Mientras más lejos se encuentre el compresor de la línea, peor será el SEC.

Energía (kW)

Una mejor práctica consiste en usar compresores más pequeños que satisfagan la carga, a pesar de que la eficiencia a plena carga sea menor.

Sólo a modo ilustrativo

Compresor grande

Compresor pequeño

Demanda (flujo)

Los compresores se van encendiendo y apagando para que las máquinas respondan a la demanda. Se asegura de las máquinas grandes no funcionen por mucho tiempo con cargas bajas. Una de las configuraciones preferidas es un compresor grande con modo de servicio + espera y un compresor pequeño.

Balance de las máquinas que suministran el flujo

Secuenciación de compresores múltiples

Demanda (flujo)

Secuenciador controlador •Presión más estable •Menos fugas •Doble punto de ajuste de la presión •Uso preferencial de las máquinas mejores

Compresores Anglian

Controlador de compresores múltiples (MCC)

Controlador electrónico de compresores múltiples Atlas Copco

Variadores de velocidad Mejor rendimiento a carga parcial Seguimiento de la presión de cierre Sin caja de engranajes PERO mayor consumo de energía a plena carga: -No sirven para suministrar carga base -Solo una máquina por sistema

Máquinas rotativas: funcionamiento en modo descargado (off load) •

•

•

Los compresores muy pequeños pueden encenderse y apagarse mediante un interruptor de presión. Todos los demás tienen que limitar la cantidad de intervalos de encendido y apagado mediante un temporizador. ¡No los anule! En modo descargado, no se realiza trabajo útil y el consumo de energía cae. Algunas máquinas cambian el motor de triángulo a estrella.

Sistemas de aire comprimido ¿Qué hay que medir para determinar el perfil de la demanda? Ciclos de carga en máquinas de carga/descarga

Depósitos de aire •

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El tamaño debe adecuarse para evitar que el compresor alterne los ciclos con demasiada frecuencia. En general, el tamaño en litros es de entre 6 y 10 veces el caudal del compresor en litros/segundo. Cerciorarse de que los depósitos estén bien drenados, 50% llenos de agua = 50% menos capacidad de almacenamiento de aire. Los depósitos solo pueden absorber flujos máximos de corta duración. Las mejores prácticas valen para los depósitos de aire seco y húmedo

¡Revise que no haya válvulas de drenaje abiertas! Una válvula de drenaje abierta puede costar más por mes que lo que saldría un drenaje automático para impedir la pérdida de aire.

Recuperación de calor

Recuperación de calor En promedio, se puede recuperar un 85% de la energía de entrada para usarla en aplicaciones de calefacción. Las posibilidades de recuperar el calor dependen de:  la demanda de calefacción de la fábrica  la correspondencia entre el funcionamiento del compresor y la demanda de calor.  la cercanía de la estación de compresión a las líneas de distribución de calefacción o a los consumidores  las temperaturas

Aire caliente para calefacción de ambientes A la atmósfera A la fábrica

Compuertas

Aire exterior Compresor de aire

NB si se atraviesa un cortafuego hará falta un amortiguador contra incendios.

Uso del agua caliente de los refrigeradores de aire

Compresor Intercambiador de calor de placas Almacenamiento de agua caliente

Muchos compresores vienen con una salida de agua de caliente.

Opciones de recuperación de calor Calentamiento de agua Servicios para inmuebles

Regeneración de secador estándar

Tratamiento de aire comprimido

Calefacción de ambientes

Secado Opciones para el uso de calor recuperado de los compresores de aire

Secador y compresor integrados

Precalentamiento de calderas

Agua de alimentación

Aire de combustión

Procesos Calefacción

Tratamiento

¿Por qué hay que tratar el aire comprimido?

Compresor

La compresión concentra las impurezas En el aire hay alrededor de 150 millones las partículas de polvo/m A 7 barg hay 1,2 billones de partículas de polvo/m 3

3

Sistemas de tratamiento Reducen el agua, polvo y aceite en el aire entregado Trate el suministro principal de aire para conseguir la calidad mínima y luego mejore la calidad en cada Compresor lugar de empleo del aire según sea necesario.

Separador de agua

Prefiltro Depósito

Postfiltros Secador

Extracción de condensados 4

4% 6 litros restantes

170 litros

1.600 M 3 /h Compresor

1

68% 116 litros extraídos por postenfriamiento a 35ºC

2

23% 39 litros en sistema de tuberías enfriados a 15ºC

Todas las cantidades se basan en un solo turno de 8 horas

3

5% 8 litros enfriados a 2oC

Consecuencias energéticas del tratamiento de aire comprimido

• • •

Punto de rocío a presión, C

Tipo de secador

Filtrado

Costos adicionales más comunes

+3

Refrigerante

Uso general

2-3%

-20

Sorción del calor residual

Ninguno

1%

-40

Regenerado por aire

Pre y post

15-18%

-40

Regenerado por calor

Pre y post

12-18%

-70

Regenerado por aire

Pre y post

hasta un 25%

Si se sobredimensiona es posible que los costos de funcionamiento aumenten significativamente. Si se subdimensiona es posible que haya caídas de presión y que el rendimiento de los sistemas disminuya. Tenga en cuenta métodos de conservación de la energía, como por ejemplo, el control del punto de rocío.

Separación de condensado En general, el aire comprimido que descarga el postenfriador del compresor está 100% saturado de vapor de agua. Si la temperatura del aire comprimido disminuye, el vapor de agua se condensa. Se puede lograr una primera separación del condensado si se instalan las tuberías y las salidas de aire comprimido como se muestra en la ilustración.

Drenaje de condensado

Hay que cerciorarse de que todos los puntos del suministro de aire en los que se recoge el condensado tienen un drenaje fiable.

Trampas de condensado sin pérdidas Mucho más fiables que las de tipo mecánico Mínimo tiempo apagadas en comparación con las que tienen temporizadores fijos

Sistemas de aire comprimido

Tratamiento del aire comprimido • Especifique el nivel mínimo necesario en la sala del compresor • Proceda a tratar el aire en los lugares de empleo para las zonas de alta calidad y menor demanda. • Respete las especificaciones de la ISO8573.1:2010 • Especifique:

• • •

Partículas en suspensión Agua (punto de rocío a presión) Arrastre de aceite

• Clase 0 - 7 para cada contaminante • Mientra más alta es la calidad, más altos son los costos (costos de capital y de funcionamiento)

Tratamiento - secadores desecantes  Los secadores desecantes pueden llegar a consumir hasta el 15% de su rendimiento nominal en forma continua.  El secado desecante puede agregar un 10% a los costos de generación totales, en comparación con el secado por refrigeración.  Los secadores desecantes deben estar dotados de un interruptor de punto de rocío.

Demanda

Distribución  Eliminación de los cuellos de botella - no limitarse a aumentar la presión de generación  Utilice depósitos y circuitos en anillo locales  Aumente el tamaño de la red de alimentación  No cree una jungla de caños  Considere la conveniencia de aislar algunas zonas

Aislamiento de la máquina Aísle la maquinaria de producción a aire cuando no esté en uso Utilice válvulas de solenoide locales operadas por: – – – –

Sensores de falta de flujo Interruptores de aislamiento Ausencia del operador (alfombra detectora de presión) Apagado del aire junto con las luces cuando el personal se retira

Use métodos similares para las zonas sin uso

Uso indebido del aire comprimido • • • • •

Limpieza Eyección de componentes Ventilación - refrigeración de gente y de productos Agitación de pintura o limpieza de baños Transporte de productos por medio de cintas transportadoras curvas o rectas • Mantenimiento de productos alineados • Uso de aire a una presión mayor que la necesaria • Generación de vacío a gran escala

Uso indebido del aire comprimido • Las mejoras de ahorros energéticos pueden producir mejoras en los procesos. • ¿Es posible en las horas en que no hay producción se use un compresor pequeño exclusivo y de apaguen los compresores principales? • ¿Se puede usar un compresor de presión más baja para algunas tareas, como transporte de polvo?

Pérdidas de presión • Las pérdidas de presión se deben a: • filtrado excesivo • diámetro interno pequeño o

•

pliegues de las tuberías empalmes angostos que causan restricciones locales

Soplado • Use toberas de intensificación (puede ahorrar hasta un 40%) • para eyección de productos • para enfriamiento • Más silencioso, pueden solucionar el problema de zonas de mucho ruido • Use cuchillos de aire a presión reducida • Use ventiladores • Use pistolas de soplado de baja presión que son más seguras y silenciosas

Fugas

Costo de las fugas

Demanda de las fugas Las fugas de aire comprimido son caras y pueden representar entre el 20 y el 50% de la demanda de aire total. La demanda de aire de no-producción puede medirse, calculándola a partir de los ciclos de carga del compresor, o a partir de las tasas de reducción de presión (drawdown). Después de haber restado la demanda de aire válido residual, es posible estimar las fugas del sistema. La demanda artificial es un componente de la fuga, al igual que cualquier demanda de aire no regulada. Si se reparan las fugas y se permite que la presión del sistema aumente, es posible que la reparación de las fugas se vea consumida por la demanda artificial. Si se controla o se reduce la presión del sistema se podrá minimizar el monto de las pérdidas por la demanda artificial.

Causas más comunes de las fugas • Filtro, regulador y lubricador • Válvulas de drenaje manuales • Empalmes de desconexión rápida (QD) • Abrazaderas de manguera • Empalmes de manguera de empujar (push-on) • Mangueras cortadas o pinchadas • Empalmes de tuberías • Uniones de tubería

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Juntas de bridas

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Tuberías viejas y oxidadas

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Empaquetadura del vástago del cilindro neumático

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Cuerpo del cilindro neumático

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Válvulas de control direccional

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Líneas y lumbreras piloto de las válvulas

•

Empaquetadura y vástago de las válvulas

Prevención de fugas Aislar las líneas de aire comprimido y los equipos neumáticos de las causas de daño físico, calor y vibración. Establecer prácticas de instalación de tuberías y estándares de conexión de los equipos, de manera que se obtenga una conexión con el sistema de aire comprimido resistente y durable. Evitar el uso de tubos de plástico y de conectores de empujar.

Fugas  Realizar ensayo de tasa de fugas, funcionamiento en vacío, tiempo de caída o registro de datos.  En una fábrica normal, no deben superar el 10% de la demanda de la producción media.  En los sitios grandes, pueden llegar hasta el 20%; en ocasiones, se midió hasta el 80%.  Puede volver a haber fugas, pero es raro que aparezcan en el mismo lugar.  Se deben realizar campañas de detección de fugas permanentemente.

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Detección de fugas • De oído: • Muy efectivo durante las horas de menos trabajo. • Con agua jabonosa: • Probado y confiable, requiere mucho tiempo, pero a veces es la única manera. • Ultrasonido • Muy efectivo, incluso en zonas con mucho ruido de fondo.

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Costo del aire comprimido Compresores de aire Control de los compresores de aire Recuperación de calor Tratamiento Demanda Fugas

Gracias ¿Alguna pregunta?