Eficiencia energética en los sistemas neumáticos

(Actualizado y ampliado 19/09/2011)
Siguiendo con los artículos que abordan la eficiencia energética industrial hablamos en esta ocasión de los sistemas neumáticos, equipos omnipresentes en la industria e intensivos en consumo energético.

Una de las medidas de diseño que están empleando los fabricantes de equipos consiste en utilizar otras fuentes de energía diferentes a la neumática, como la electromecánica o la hidráulica. Ello es debido a que la neumática se ha visto tradicionalmente como ineficiente, debido a factores tales como las pérdidas y la práctica endémica de suministrar presiones más altas que las requeridas por el actuador para realizar una tarea.

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Se bien no se trata de despreciar la neumática, lo cierto es que hay muchas fuentes potenciales de ineficiencias cuando se genera y usa aire comprimido. Sin embargo, existen medidas que pueden minimizar o prevenir pérdidas y reducir significativamente el consumo de las máquinas neumáticas. Consideramos las siguientes tácticas para evitar volúmenes muertos y optimizar uso de aire comprimido.

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Lo grande no siempre es lo mejor

Los componentes adecuadamente dimensionados son un prerequisito para un consumo energético bajo. Todavía es una práctica común sobre dimensionar componentes para asumir un margen de segudidad, innecesario y derrochador en energía. Antiguamente esto no era un problema porque la energía era barata pero hoy en día estamos ante un problema crítico en la industria.

En las nuevas máquinas, los componentes neumáticos convenientemente dimensionados son inteligentes en el uso de la energía. Grande no significa mejor cuando lleva a sobredimensionar innecesariamente el consumo de aire. Cuando hay dudas es una práctica común sobredimensionar. También es común usar viejos diseños que se desarrollaron sin tener la eficiencia energética en mente, y estaremos entonces derrochando mucho dinero. Los componentes sobredimensionados cuestan más al comprarlos y operar que los apropiadamente dimensionados. Son también más grandes y más pesados, un asunto importante cuando el espacio es un problema. Tan solo con reducir el diámetro de un cilindro ahorraremos en el volumen de aire comprimido en cada ciclo, los diseñadores tomarán ventaja de las herramientas de configuración y los calculadores de ahorro energético para ayudar a dimensionar los componentes para cumplir los requerimientos de aplicación.

Por ejemplo, un procesador de madera puede incrementar el rendimiento de las sierras de corte un 13 % simplemente reduciendo el tamaño del sistema neumáticos en las puertas de clasificación. Disminuyendo el tamaño de los cilindros, de las válvulas y la presión del sistema pueden conseguirse estas mejoras. Estas alteraciones aparentemente menores incrementan la velocidad de forma efectiva y pueden conseguir ahorros del 75 % en el consumo energético de las máquinas.

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Las máquinas producidas en serie deben diseñarse y dimensionarse para acomodarse a las necesidades del usuario con las presiones más bajas que sea posible.

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Los operadores comúnmente incrementan la presión en los reguladores con la esperanza de aumentar el rendimiento, pero esto acaba significando un derroche importante de dinero en costes de operación y aire sin obtenerse beneficios apreciables. Es importante controlar y asegurar que la presión de las máquinas esté dentro de los límites mínimos y máximos para eludir el derroche de energía.

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Las mejores prácticas de Lean-manufacturing eliminan cualquier derroche que no añada valor al producto o proceso. La neumática frecuentemente derrocha energía cuando demasiados actuadores producen más fuerza que la requerida. Esto puede superarse con reguladores de presión inteligentes que controlen cuando ejercen energía y cuando conservarla. Aplicando la cantidad exacta de presión en cada tarea puede producirse un ahorro de hasta el 40 % en muchos casos.

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También, los reguladores que permiten caudal inverso y se montan entre una válvula y un cilindro están siendo cada vez más comunes. Usualmente son más económicos y fáciles de instalar que los reguladores de presión tipo sándwich. Muchos reguladores in-line standard no tienen esta capacidad y requieren una válvula de control en paralelo para acomodarse al flujo inverso.

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La selección de los elementos adecuados del sistema neumático es también una cuestión clave. Muchas aplicaciones tienen una carga que empuja a o tira, pero no ambas. Aún la mayoría de las máquinas usan la misma presión tanto para extender como para retraer el pistón, lo cual es extremadamente ineficiente. Por ejemplo, imaginemos un cilindro neumático utilizado en una operación de pre-ajuste. Presionando la pieza con una presión del cilindro de 100-psi, se usan también 100-psi para retraer el cilindro descargado – incluso aunque la retracción requerida sea <10 psi. Añadiendo un regulador de presión entre la válvula y el puerto del cilindro se reduce la presión de retracción a 10 psi – un 90 % de reducción. Las máquinas usan así un 38 % menos energía por ciclo, y el ahorro conseguido paga los nuevos componentes aproximadamente en 2.100 ciclos.

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En aplicaciones que usan cilindros de elevación o sin varillas, tales como los elevadores de automoción, típicamente pueden beneficiarse de la regulación de la presión del recorrido sin carga. En general, los cilindros más grandes ganan más eficiencia.

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El ahorro energético es sólo uno de los beneficios de la regulación de la presión neumática. Debido a que la velocidad del cilindro es gobernada por la rapidez con que el aire salde del lado del pistón sin carga, reduciendo la presión sin carga se consigue acelerar el recorrido del pistón. De esta forma se reduce el tiempo del ciclo. Otras ventajas incluyen reducción de choques, vibraciones, y ruido, así como una vida más larga para los componentes de la máquina en sí mismos. Y si hay pérdidas en el sistema, la reducción de la presión del aire inherentemente reduce la cantidad y coste de las pérdidas.

Circuitos regenerativos

Para aplicaciones que requieren alta presión tanto al empujar como tirar, un sistema regenerativo puede producir ahorros de hasta el 50 %. Antes que instalando un regulador de presión para cortar el consumo de aire, el aire en el lado de la carga del cilindro recircula hacia atrás en el otro lado del cilindro para hacerlo trabajar. Un ejemplo podemos encontrarlo en la rotura de incrustaciones en un proceso de aluminio. Grandes cilindros montados verticalmente sobre tanques de metal fundido con los vástagos dirigidos hacia abajo. Las herramientas fijadas a los vástagos son bastante pesadas, de forma que se requiere aire de alta presión para retraer las varillas del cilindro. Se requiere también alta presión para extenderse a los cilindros incluso aunque la gravedad ayuda. Esto es debido a que se necesitan fuerzas elevadas al final del recorrido para romper la costra que cubre el aluminio líquido. Las mismas características se aplican a las aplicaciones de sujeción que sólo requieren alta fuerza al final del recorrido de trabajo. Los circuitos con válvulas regenerativas desvían la salida del aire del recorrido del cilindro con gravedad para asistir y cargar el extremo opuesto del mismo cilindro cuando el recorrido es hacia atrás.

Optimización de aplicaciones de vacío

Las máquinas que usan generadores de vacío (eyectores) típicamente consumen más energía de lo necesario para realizar tareas de manejo de materiales. En sistemas convencionales, una válvula de solenoide que suministra aire comprimido energiza al generador de vacío, y las copas de succión contactan al producto en sí mismo. Todo el tiempo que la copa de succión sostiene el componente, el generador de vacío consume aire. Ya que las copas de vacío se desgastan a lo largo del tiempo, los generadores de vacío tienden a estar sobredimensionados para acomodar pérdidas. Esto hace que se consuma más aire comprimido y se incrementen los costes de operación del equipo y el ruido. Para remediar esto, debe considerarse retroajustar la máquina con un generador de vacío que tenga la opción ahorro de aire automático. Estos generadores, tales como la serie ECS de Bosch Rexroth, controlan los niveles de vacío con un sensor integrado. Cuando el generador se enciende, la válvula de vacío se abre hasta que el sistema alcanza un nivel de vacío preseleccionado. Ya que la válvula permanece en el rango de histéresis programable, la válvula automáticamente se desenergiza y cierra, sin consumir aire comprimido. Si el vacío cae bajo el límite preseleccionado (debido a pérdidas o desconexión), la válvula de solenoide se re-energiza para mantener el vacío previsto. Los generadores de vacíos con controladores de ahorro de aire son fáciles de instalar o retroajustar, y ellos pueden en gran medida reducir el consumo de aire y los costes de operación. Otros beneficios tangibles significan reducción de ruido en el equipo porque la válvula se energiza menos frecuentemente. Además, la frecuencia como el sensor de vacío se activa da una indicación tanto del desgaste de la copa como de la eficiencia del sistema total.

Minimizar pérdidas

Las pérdidas son costosas. Para los usuarios finales buscando mejorar la eficiencia de los sistemas neumáticos, una medida efectiva es encontrar pérdidas fijas. Las válvulas y sellos se deterioran por dos motivos fundamentalmente. Algunos diseños de válvulas, como las válvulas de control proporcional con diseño lapped spool con sellado metálico, tienen pérdidas internas inherentes de hasta 700 cc/min incluso cuando son nuevas. Las pérdidas son una constante en las válvulas. Otra causa de las pérdidas en las aplicaciones industriales es cuando son atacados por agentes químicos en el sistema de aire. El regulador de presión es típicamente el primer componente que falla debido a contaminantes incompatibles en el suministro de aire. Si el sellado se deteriora es posible instalar lechos de filtros de carbón activo o lubricantes, o sustituir el dispositivo por otros con sello HNBR, Viton, PTFE o poliuretano. El control de la reducción de aire automáticamente es otro medio de incrementar significativamente la eficiencia de las máquinas. La mayoría de las instalaciones no tienen medio de cerrar el aire cuando las máquinas están ociosas, y tiene que ser el personal de mantenimiento quien vaya apagando las válvulas individualmente lo cual no es efectivo. Y otros subsistemas requieren presión incluso cuando la máquina está apagada, como ocurre con los medidores de aire, limpieza, etc. Frecuentemente, sin embargo, una presión de suministro baja o alta presión de baja duración puede satisfacer estas funciones.

Descentralización del suministro de aire

Las válvulas de distribución centralizadas tienen la reputación de ser engorrosas, y usualmente requieren largas conducciones de aire, y consumen mucha energía. Los fabricantes ahora ofrecen unidades de válvulas descentralizadas fabricadas en polímeros de ingeniería que son pequeñas, ligeras, químicamente resistentes, y pueden montarse justo al lado de un actuador. Esta conexión directa de válvulas y cilindros eliminan las pérdidas de presión y volúmenes de largas conducciones desde el cuadro de control a la transmisión neumática. Las unidades actuador/válvula pueden reducir las conexiones de tubos aproximadamente un 50 % y ello resulta un ahorro energético del 35 %. Los sistemas descentralizados pueden producir tiempos de respuesta más rápidos y frecuencias del ciclo más altas. Adicionalmente, las válvulas y distribuidores están disponibles con protección IP69K y con diseño sanitario y materiales convenientes para procesado de alimentos. Ello elimina la necesidad de alojar las válvulas en cerramientos de acero inoxidables remotos con tubos largos dirigiéndose a los actuadores.

Bibliografía: Boschrexroth-us