Cómo aumentar la eficiencia del compresor de aire

Eficiencia del compresor de aire

¿Qué factores afectan la eficiencia energética de los compresores de aire? Estos factores incluyen el tipo, el modelo, el tamaño, la potencia del motor, el diseño del sistema, el mecanismo de control, el uso y el programa de mantenimiento. La pérdida de calor por fricción en las piezas móviles y el aumento de la temperatura del aire comprimido son las principales causas de ineficiencia.

Cuando se trata de la eficiencia del compresor de aire, es vital verificar todo el sistema, incluido el compresor de aire en sí y la línea de suministro, el receptor de aire, el secador de aire, el receptor y el posenfriador. Puede ahorrar energía y dinero realizando los ajustes correctos en su sistema de aire comprimido.

¿Qué factores contribuyen a la ineficiencia en un compresor de aire?

Muchos factores pueden contribuir a un compresor de aire ineficiente. El rendimiento del compresor de aire puede volverse menos eficiente con el tiempo cuando entra en juego cualquiera de los siguientes factores:

Mala calidad de la entrada de aire

Si el aire entrante está demasiado caliente, contiene impurezas o tiene mucha humedad, la eficiencia del compresor de aire puede reducirse significativamente.

Control inconsistente de la presión del aire

Una presión alta, ya sea inconsistente o constante, reduce la eficiencia. Una banda de presión de 10 PSIG (carga a 115 PSIG, descarga a 125 PSIG) evita ciclos rápidos, pero desperdicia energía; ajuste esta banda lo máximo posible para mejorar la eficiencia.

fallos del sistema de diseño

Los defectos en el diseño del sistema pueden provocar compresores de aire ineficientes. Los defectos de diseño pueden incluir:

• Sistemas de distribución mal dimensionados.
• Falta de sistemas de recuperación.
• Mayor desperdicio de calor.
• Dobleces innecesarias en las tuberías.
• Fugas no reparadas.

Desajuste del compresor de aire

El compresor de aire debe ajustarse adecuadamente a las necesidades de aire comprimido del equipo. Si el compresor no se ajusta a la aplicación, su eficiencia y rendimiento general pueden verse significativamente reducidos. Para aplicaciones con presiones inferiores a 40 PSI, cambiar a un soplador de baja presión en lugar de un compresor estándar puede reducir el consumo de energía hasta en 90%. Del mismo modo, cuando se requiere mayor presión, elegir un compresor de dos etapas en lugar de un modelo de una sola etapa del mismo tamaño puede generar entre 15 y 20% más de caudal, lo que permite recuperar rápidamente cualquier sobreprecio gracias a las mejoras en la eficiencia.

Caída de presión

Las caídas de presión debidas a tuberías de tamaño inadecuado, exceso de humedad, filtros sucios o distancias de recorrido de aire excesivas reducen la eficiencia. Herramientas como pistolas de pintura, clavadoras, sierras, lijadoras y taladros son especialmente sensibles a la pérdida de presión, perdiendo rendimiento o fallando cuando la presión del aire cae por debajo de los niveles requeridos.

Mantenimiento no programado

El mantenimiento no programado puede provocar un desgaste prematuro del sistema, aumentando los costes de reparación. Debido a la cantidad de piezas móviles y al uso intensivo de estos sistemas, no desarrollar un programa de mantenimiento regular puede provocar compresores de aire ineficientes.

¿Cómo aumentar la eficiencia de un compresor de aire?

Los compresores de bajo consumo energético dependen de controles bien ajustados, una presión de funcionamiento casi mínima y un diseño de sistema que se adapte a la aplicación real.

Las siguientes 8 secciones detallan áreas de mejora específicas y prácticas. Lea atentamente para descubrir los cambios que tendrán el mayor impacto en sus instalaciones.

Al utilizar estos métodos para aumentar la eficiencia del compresor, también puede mejorar el rendimiento y la vida útil de su compresor de aire.

Mejorar la calidad del aire de admisión

Tres componentes de un sistema de compresión de aire afectan el rendimiento:

Temperatura

La temperatura del aire de admisión determina su densidad. El aire frío requiere menos energía para comprimirse, por lo que es mucho más eficiente bombearlo a un compresor de aire. Evite el aire caliente, que es menos denso, ya que puede reducir significativamente la productividad. Cada reducción de 20 °F en la temperatura de admisión disminuye los costos operativos en aproximadamente 3,81 TP3T.

Composición

Una entrada de aire limpio garantiza que el aire comprimido pueda pasar a través del sistema con mayor suavidad. La suciedad, el polvo u otras impurezas del aire pueden acumularse dentro del compresor de aire. Estos contaminantes pueden llegar a componentes vitales, provocando desgaste y reduciendo la capacidad de almacenamiento.

Humedad

La humedad daña los sistemas de compresión de aire al provocar óxido, desgaste, fugas y reducción de capacidad; una gestión adecuada del condensado protege la integridad del sistema. El aire seco protege la integridad del sistema y las herramientas conectadas. Los secadores desecantes de calor de compresión reutilizan el calor de compresión para regenerar el desecante, reduciendo el aire de purga y las necesidades de energía para calefacción. Los modelos de secadores de alto rendimiento utilizan la refrigeración solo cuando es necesario, en lugar de hacerlo continuamente, lo que ahorra energía en comparación con las unidades de funcionamiento continuo.

Control del compresor de aire compatible

Adaptar los controles del compresor de aire a las necesidades del sistema es una de las maneras más efectivas de aumentar su eficiencia, ya que estos controles ajustan la potencia de salida del compresor a las necesidades del sistema, que puede constar de uno o varios compresores. Dichos controles son fundamentales para la eficiencia y el alto rendimiento de los sistemas de compresores de aire.

Los sistemas de aire comprimido están diseñados para mantener un rango de presión específico y entregar volúmenes de aire que varían según las necesidades del usuario final. Cuando la presión alcanza un cierto nivel, el sistema de control reduce la salida del compresor. Por otro lado, si la presión cae, la potencia del compresor aumenta.

Los sistemas de control más precisos pueden mantener una presión promedio baja sin caer por debajo de los requisitos del sistema. No cumplir con los requisitos del sistema puede provocar fallas en el dispositivo. Por eso es tan importante hacer coincidir los controles del sistema con la capacidad de almacenamiento.

Los siguientes controles ayudan a mejorar la eficiencia de los compresores individuales:

• Dependiendo de la presión, los controles de arranque y parada encienden y apagan el compresor.
• La función de carga y descarga reduce la presión del compresor, disminuyendo así el consumo de energía en los ciclos de carga.
• El control modulante gestiona la demanda de flujo a lo largo de los ciclos de carga, mientras que el control multietapa permite que el compresor funcione en condiciones de carga parcial.
• El control dual dual y automático permite la selección de arranque/parada o carga/descarga.
• El desplazamiento variable puede funcionar en dos o más condiciones de carga parcial.
• Los variadores de velocidad ajustan continuamente la velocidad del motor para satisfacer las necesidades cambiantes. Un compresor con variador de velocidad (VSD) puede ahorrar hasta 351 TP3T de energía en comparación con las unidades de velocidad fija, y un modelo VSD+ de alta gama puede ahorrar hasta 501 TP3T incluso a plena carga, lo que convierte a esta opción de control en una de las formas más efectivas de reducir los costos operativos. Los precios de los equipos con VSD han tendido a la baja, y en algunas regiones suelen estar disponibles reembolsos o incentivos, por lo que la actualización a un variador de velocidad es cada vez más accesible para los operadores que buscan reducir el gasto energético a largo plazo.
• Los sistemas con múltiples compresores se benefician de un controlador maestro centralizado en el lado de la alimentación. Este controlador activa y desactiva los compresores individualmente según la demanda en tiempo real, mantiene un rango de presión más estrecho y permite que todo el sistema funcione a una presión general menor, reduciendo así el desperdicio de energía sin sacrificar la fiabilidad. Los controladores maestros también pueden registrar datos de tendencias de los componentes para facilitar la planificación del mantenimiento predictivo.

Un sistema bien diseñado combina la regulación de la demanda, un almacenamiento de tamaño adecuado, sensores de presión ubicados estratégicamente y controles de compresores coordinados para mantener la presión constante más baja posible, a la vez que soporta las fluctuaciones con aire comprimido almacenado a alta presión. Mantener la velocidad del aire en las tuberías a 6 m/s o menos también es beneficioso, ya que velocidades más altas generan turbulencias que aumentan la caída de presión y obligan al compresor a trabajar más. Con varios compresores, el control de secuenciación puede satisfacer la carga del sistema activando los compresores y desconectándolos cuando no sean necesarios. Los controles de red también ayudan a gestionar la carga de todo el sistema.

Con múltiples compresores, el control de secuenciación puede satisfacer la carga del sistema haciendo funcionar los compresores y desconectándolos cuando no es necesario para satisfacer la demanda. Los controles de red también ayudan a gestionar la carga de todo el sistema.

Mejorar el diseño del sistema

Aquí hay seis formas de mejorar el diseño de su sistema de compresor de aire.

Endereza el camino

Las curvas pronunciadas y las líneas de transferencia estrechas aumentan la fricción y la caída de presión, reduciendo la presión en el punto de uso. Un diseño con menos curvas y bucles genera mayor presión con la misma energía.

Ahorra energía cuando la necesites.

Los tanques de almacenamiento amortiguan las fluctuaciones de la demanda a corto plazo, reducen los ciclos de encendido y apagado, y evitan la caída de presión durante los picos de demanda. El tamaño del tanque debe coincidir con la potencia del compresor; por ejemplo, un compresor de 60 caballos de fuerza requiere un depósito de 60 galones. Conectar cada compresor a una tubería DN50 dedicada con su propio depósito de condensado, y luego combinar las salidas en un colector de condensado DN100 con drenajes de condensado, amortigua las fluctuaciones de presión y permite alimentar las líneas de anillo con un punto de ajuste de descarga del compresor más bajo, lo que reduce el desperdicio de energía.

Aire de admisión frío

Para obtener el máximo beneficio, reubique la entrada del compresor en el lugar más fresco disponible, generalmente el lado norte o este del edificio. Instale una campana extractora que tome el aire desde una altura de 1,8 a 3 metros sobre el nivel del suelo para evitar el calor radiante del techo o el pavimento. Si la entrada debe permanecer en el interior, dirija los conductos desde una pared exterior sombreada.

Utilice varios compresores pequeños.

Los compresores grandes son ineficientes a carga parcial porque consumen más energía por unidad. Varios compresores más pequeños con control secuencial permiten apagar las unidades innecesarias. Los compresores con variador de frecuencia (VFD/VSD) se vuelven ineficientes por debajo de 20% o por encima de 80% de capacidad; dimensionar y escalonar unidades más pequeñas dentro de ese rango mantiene la eficiencia. Un controlador maestro configurado correctamente puede ajustar la banda de presión de un sistema multicompresor a ±2 PSIG, reduciendo los costos operativos y el consumo de energía.

Recuperación de calor residual

Una unidad de recuperación de calor diseñada correctamente recupera entre 50 y 901 TP3T de energía de compresión eléctrica. Hasta 901 TP3T de los 70 a 801 TP3T de energía del compresor que se pierde en forma de calor se pueden recuperar para calefacción de espacios, calentamiento de agua, secado o calentamiento de alimentos.

Ubicado cerca de una zona de alta demanda.

Al colocar los receptores de aire cerca de fuentes de alta demanda, es más fácil satisfacer la demanda al reducir la capacidad general del compresor.

Considere las necesidades de aire comprimido

Compruebe el perfil de carga

Un sistema de aire comprimido correctamente diseñado debe considerar la curva de carga. El sistema debe funcionar eficientemente a carga parcial si la demanda de aire varía mucho. Múltiples compresores proporcionarán un uso de energía más económico cuando la demanda fluctúe mucho.

Minimizar la demanda artificial

El exceso de aire por encima de las necesidades de la aplicación supone un desperdicio de energía. Si una aplicación requiere 50 PSI pero recibe 90 PSI, el sistema desperdicia aire adicional. Utilice reguladores de presión de uso final para minimizar la demanda artificial.

Determine la presión correcta requerida

La presión requerida tiene en cuenta las pérdidas del sistema en filtros, tuberías, separadores y secadores. Aumentar la presión de descarga incrementa el consumo de energía en aproximadamente 11 TP3T por cada 2 PSI; la mayoría de las instalaciones operan entre 2 y 5 PSI por encima de lo necesario. Reduzca la presión de descarga para lograr un alto rendimiento y disminuir la tensión en el sistema.

Verifique que exista una oferta y demanda adecuadas.

Verifique que el compresor no sea demasiado grande para el uso final. Cuantifique el aire necesario para cada aplicación y, a continuación, evalúe todo el sistema para identificar problemas de distribución y minimizar el uso inadecuado del aire.

Utilice diagramas de bloques y diagramas de distribución de presión.

Los diagramas de bloques identifican todos los componentes del sistema; los diagramas de distribución de presión muestran la caída de presión y guían los ajustes de control. Mida la presión de entrada del compresor, la presión del separador de aire/lubricante y la diferencia de presión entre etapas. Registre la presión del sistema y el flujo de aire para detectar interrupciones, cargas intermitentes, cambios en el sistema y condiciones; gestione las variaciones mediante controles para minimizar el impacto en la producción.

Utilice almacenamiento de aire comprimido

El almacenamiento puede controlar los picos de demanda reduciendo la tasa de decaimiento y la caída de presión. También puede apagar el compresor cuando sea necesario para proteger las operaciones críticas de otros eventos en el sistema. Instale boquillas de aire diseñadas adecuadamente en los puntos de uso en lugar de extremos de tubería abiertos o agujeros perforados, ya que amplifican el flujo de aire utilizando el aire ambiente arrastrado, proporcionando una fuerza de soplado efectiva con un consumo significativamente menor de aire comprimido. La actualización de las boquillas y las tuberías, junto con el dimensionamiento correcto de los cilindros neumáticos, son otras soluciones para minimizar la demanda artificial en el sistema.

Minimizar la caída de presión

La caída de presión se produce cuando el aire comprimido fluye a través de los sistemas de distribución. Las caídas excesivas provocan un rendimiento deficiente y un mayor consumo de energía. Reduzca la caída de presión antes de aumentar la capacidad o la presión del sistema.

Para reducir la caída de presión: 

• Mantenga un diseño de sistema adecuado: la causa más común de caída excesiva es el tamaño insuficiente de las tuberías entre el colector de distribución y el equipo. Un diseño de sistema en bucle proporciona múltiples vías de circulación de aire y reduce la caída en comparación con las líneas sin salida.
• Mantenga en buen estado los equipos de filtración y secado de aire para minimizar la humedad; asegúrese de que los filtros estén limpios para evitar la restricción del flujo de aire. Reemplace los elementos filtrantes a tiempo.
• Seleccione separadores, secadores, filtros y posenfriadores con la menor caída de presión posible (diferenciales típicos: 7 psi para filtros, mangueras y reguladores).
• d) Elija reguladores, mangueras, lubricadores y accesorios que funcionen mejor a la presión diferencial más baja.
• Reducir la distancia de viaje aéreo a través del sistema.

Muchas herramientas funcionan eficazmente a 80 psig o menos. Reducir la presión de descarga minimiza las fugas, aumenta la capacidad y ahorra dinero, pero puede requerir modificaciones en los reguladores, filtros y almacenamiento. Tenga cuidado con el efecto de "Treinta Sucios": los últimos 30 pies de tubería antes del punto de uso a menudo acumulan obstrucciones, humedad y residuos, lo que reduce la presión donde más se necesita. La caída de presión en este tramo final suele oscilar entre 30 y 50 psi (aproximadamente 20 veces mayor que en las etapas anteriores), lo que lo convierte en un objetivo principal de inspección. Un filtro desgastado que permite una descarga de 5 psi cuesta aproximadamente 1900 dólares anuales en gastos operativos, mientras que el reemplazo cuesta tan solo 10 dólares, amortizándose casi de inmediato.

Reparar fugas

Las fugas de aire comprimido son la principal causa de desperdicio de energía, desperdiciando típicamente entre 20 y 301 TP3T de la producción del compresor. Dado que la fuga es directamente proporcional al tamaño del orificio y a la presión de suministro, incluso las fugas pequeñas se acumulan. Si no se solucionan, pueden desperdiciar entre 30 y 501 TP3T del aire total del sistema, reducir la eficiencia de las herramientas y obligar a tiempos de funcionamiento más prolongados. Una estrategia de mantenimiento proactivo puede reducir los costos relacionados hasta en 701 TP3T. Las fugas ocurren con mayor frecuencia en reguladores de presión, colectores de condensado abiertos, válvulas de cierre, desconectores, accesorios de tubería, selladores de roscas, mangueras y accesorios; una auditoría encontró fugas en dos tercios de los equipos, con un costo de $157,000 por año.

Estimación de fugas

Mida los tiempos de carga/descarga del compresor y calcule:

Fuga (%) = [minutos de carga × 100 / (minutos de carga + minutos de descarga)]. Por ejemplo: si su compresor funciona cargado durante 8 minutos y descargado durante 2 minutos por ciclo, la fuga = (8 × 100) / (8 + 2) = 80%. Esto supera con creces el objetivo de 10% para sistemas con buen mantenimiento e indica que se necesita una investigación urgente de fugas.

Los sistemas bien mantenidos se mantienen por debajo de 10%; los sistemas mal mantenidos superan los 20%. En un caso, la reparación de fugas de 2,82 m³/min (~20% de capacidad), el redimensionamiento de las tuberías y la reducción de la presión del colector de 7,0 a 6,5 bar mejoraron la calidad del aire de la clase 5 a la clase 4 según la norma ISO 8573-1, redujeron la potencia media de 57,1 kW a 38,5 kW (una caída de 32,6%) y recortaron el consumo estático en 70%.

Detección de fugas

Los detectores ultrasónicos localizan fugas al detectar silbidos: son rápidos, precisos y se pueden usar incluso con el equipo en funcionamiento. Si no se dispone de un dispositivo ultrasónico, aplique agua jabonosa con un cepillo sobre las zonas sospechosas y observe si se forman burbujas.

Reparación de fugas

Apriete las conexiones flojas siempre que sea posible. De lo contrario, sustituya las juntas, tramos de tubería, mangueras, acoplamientos, sifones, accesorios o desagües defectuosos, utilizando siempre el sellador de roscas adecuado.

Reducción inmediata de la presión

Mientras se repara una fuga, reduzca la presión del sistema al nivel mínimo aceptable y estabilice la presión del colector en ese nivel; esto reduce directamente la tasa de fuga.

Programa de prevención de fugas

Establecer una base de costos: cuantificar el costo energético de las fugas actuales para medir la mejora.

• Inspeccione sistemáticamente: utilice detectores ultrasónicos o manómetros portátiles para encontrar fugas.
• Documente cada fuga: registre el tamaño, la ubicación, el tipo y el costo estimado.
• Prioriza: repara primero las fugas más grandes y costosas.
• Optimice los controles: ajuste la configuración para maximizar la eficiencia energética.
• Revise periódicamente: las inspecciones regulares mantienen el sistema eficiente.
• Mejore los desagües de condensado: reemplace las electroválvulas con temporizador por desagües sin pérdida de aire. Un desagüe con temporizador estándar con un orificio de 5/32" que purga durante 10 segundos cada 10 minutos a 100 PSI pierde 40 pies cúbicos de aire por hora, con un costo de casi 150 T/año a 0,10 T/kWh. Las unidades sin pérdida de aire descargan solo cuando hay condensado presente, eliminando así ese desperdicio.

Cambiar filtros

Los filtros garantizan que el aire limpio llegue a los usuarios finales. Los filtros obstruidos por polvo, suciedad y grasa reducen la presión del aire, lo que requiere más energía para mantenerla. Cambie o limpie los filtros de aire y aceite cada tres meses o 500 horas de uso, lo que ocurra primero, para evitar una mayor resistencia y un desperdicio de energía. Utilice filtros de baja caída de presión y larga duración, dimensionados para un flujo máximo. Tenga en cuenta que los filtros que retienen contaminantes muy pequeños crean una mayor resistencia al flujo de aire, por lo que debe equilibrar la eficiencia de filtración con la caída de presión. Al elegir separadores, secadores, filtros y posenfriadores, seleccione modelos con la menor caída de presión posible sin sacrificar la filtración necesaria; algunos están diseñados para equilibrar ambos aspectos mejor que otros.

Mantenimiento

Anime a los operarios a considerar la eficiencia energética como una responsabilidad compartida: capacítelos para detectar fugas, reportar ruidos inusuales y apagar los equipos que no se utilicen. Los hábitos diarios constantes permiten mantener las mejoras de eficiencia logradas mediante el mantenimiento regular.

Los sistemas con un mantenimiento inadecuado desperdician energía y dinero. Revise constantemente si hay fugas, desgaste prematuro y acumulación de contaminantes. Reemplazar compresores con más de 10 años de antigüedad genera ahorros de energía de al menos 20% y hasta 40%, por lo que vale la pena considerar las actualizaciones junto con el mantenimiento rutinario de las unidades antiguas.