Eficiencia energética en compresores de aire

Muchas compañías industriales, comerciales e institucionales pueden acometer el desafío de reducir los costes de la energía hasta en un 50 %. El uso de la eficiencia energética mejorada puede alcanzarse acometiendo proyectos que actualicen y mejoren instalaciones y equipos.

Los compresores son dispositivos mecánicos que obtienen aire y lo descargan a una mayor presión, usualmente en un sistema de tuberías o un depósito.

Hay dos tipos básicos de compresores; en primer lugar tenemos los compresores de desplazamiento positivo, que incrementan la presión mediante la reducción del volumen de la cámara de compresión por medio de un trabajo aplicado al mecanismo de compresión: recíproco, rotatorio (pistón paletas rotatorias, scroll y trocoidal).

Por otra parte están los compresores dinámicos que incrementan la presión por una transferencia continua del momento angular de los elementos rotatorios al girar seguido por una conversión de este momento en una elevación de presión. Los compresores centrífugos funcionan basándose en este principio.

Valoración del rendimiento de un compresor

El rendimiento de un compresor se calcula basándose en las condiciones del aire medidas en la entrada y la salida, y el caudal medido a la salida. Las tablas de rendimiento del fabricante son la fuente de datos más fiable de las características de operación de un compresor. Tales tablas listan caudales de aire bajo ciertas velocidades de operación y presiones de descarga para los modelos fabricados. Puede ser necesario contactar con el fabricante para datos más detallados en la entrada de energía del eje y los efectos de las condiciones particulares de operación. Cuando tales datos no están disponibles, los requerimientos de energía de un compresor particular pueden estimarse usando los datos medidos, las leyes de los gases y las ecuaciones de rendimiento de compresores.

Características del rendimiento de los compresores

La capacidad de un compresor de desplazamiento positivo es casi independiente de la presión de trabajo pero está ligeramente afectada por las pérdidas internas y el volumen de gas que queda en el compresor en cada ciclo de compresión. La capacidad de un compresor dinámico varía con la presión de trabajo en una relación diferente para cada tipo y configuración.

Eficiencia del compresor

La entrada de energía a un compresor debe realizar el trabajo de compresión y superar las pérdidas de la maquinaria. Las pérdidas de maquinaria se causan por la fricción interna, engranajes internos, tuberías inter-etapas y válvulas. Cuando un compresor es impulsado directamente por un motor eléctrico con o sin un acoplamiento, la entrada de energía al eje del compresor (puede tomarse como la salida de potencia al eje del motor). En un compresor con un sistema de transmisión de potencia tal como una transmisión por correa, la entrada de potencia al eje del compresor es la salida del dispositivo de transmisión menos la pérdida de transmisión.

Métodos de control de la capacidad

Los métodos de control de la capacidad, cuando no se requiere la producción total del compresor, tiene un efecto importante en su consumo energético. Los métodos que controlan la velocidad o el tiempo de funcionamiento en el compresor resultan en un consumo energético que es aproximadamente proporcional a la salida. Los métodos que reducen la capacidad interna del compresor, llamados dispositivos de descarga, tienen varios efectos dependiendo del tipo de dispositivo y las características del compresor.

Costes de operación

Los costes de operación pueden disminuir sensiblemente si se equipa el compresor con un controlador de velocidad variable.

Energía disponible para recuperación

Debido a la energía expendida por un compresor se representa enteramente por un incremento en la temperatura del aire, todos los compresores usan alguna forma de enfriamiento para reducir la temperatura del aire de descarga. Los pequeños compresores pueden usar aletas disipadoras de calor en la carcasa del compresor. En compresores de etapas múltiples el aire normalmente se enfría en etapas en un refrigerador intermedio, y en muchas instalaciones el aire se enfría después de la etapa final por un refrigerador posterior.

Enfriando el aire comprimido se reduce el volumen específico que puede permitir el uso de tuberías más pequeñas y/o reducir las pérdidas de fricción. La mayoría de la energía expendida al comprimir el aire es recuperable utilizando refrigerador intermedio y posterior como fuente de calor para otros propósitos.

El valor de la energía recuperada tiene un ahorro cuando la energía se usa para desplazar una fuente de energía que tiene un coste. El ahorro es afectado por el coste unitario de la fuente de energía.

En algunos casos el calor liberado por los componentes de un compresor, genera una carga adicional en un sistema de enfriamiento de un edificio.

CONTROL DEL COMPRESOR

Varios métodos se utilizan para controlar la capacidad del compresor cuando no se requiere toda la salida de potencia.

El control de velocidad constante tiene al compresor funcionando continuamente mientras que varía la capacidad por un sistema de descarga. La mayoría de los grandes compresores usa este método de control debido a que los grandes motores de transmisión eléctrica no pueden resistir arranques frecuentes.

El control arranque-parada usualmente usa un interruptor sensor de presión para arrancar y parar el compresor. Este método se usa casi universalmente en pequeños compresores que transmiten aire al receptor. Algunos grandes compresores grandes se controlan por dispositivos marcha-parada cuando su capacidad excede la demanda de aire.

El control dual combina los dos métodos previos para permitir selección del método apropiado dependiendo de las condiciones de operación. La selección puede ser manual o automática.

Sistemas de control del compresor

Los sistemas de descarga del compresor reducen la salida de un compresor por el uso de dispositivos que reducen la capacidad volumétrica del compresor. Tales sistemas se combinan con el control de motor para proporcionar tanto control de volumen como conservación de energía.

• Descarga de válvula de succión: Se abre la válvula de succión cuando la demanda de aire se reduce. Una etapa de un compresor recíproco con dos válvulas de succión puede ser progresivamente descargada para proporcionar control en tres pasos: carga completa, media carga y sin carga. En este tipo de descarga el consumo de energía es aproximadamente proporcional a la carga reducida.
• Cámara adicional de espacio: Utiliza válvulas simples o múltiples interconectando los cilindros a las cámaras adicionales de espacio interno dentro de la carcasa. Abriendo las válvulas se incrementa el volumen del cilindro y baja la eficiencia volumétrica y la capacidad del compresor para transmitir aire. Este tipo de método de descarga puede tener numerosos pasos pero el consumo energético queda relativamente alto durante la operación de descarga.
• Descarga de válvula de estrangulamiento de la admisión: La descarga utiliza una válvula que varía de forma continuada o álabes guía de la admisión (dependiendo del tipo de compresor) en la admisión del compresor. Cuando la válvula se cierra, el caudal de aire al compresor se reduce. Este método incrementa el ratio de presión del compresor resultando un consumo de energía altamente descargado.
• Sistemas de descarga de control de by-pass y control del sangrado: Permite al compresor continuar transmitiendo aire pero el exceso de aire se retorna a la admisión o ventea como descarga. Estos sistemas resultan en no reducción del consumo de energía bajo operación de carga. No sólo es alto el consumo de energía sino que, con el sistema de by-pass, más energía térmica debe ser eliminada del aire.

Ejemplos de eficiencia energética

A continuación mostramos algunos ejemplos adicionales que ayudan a mejorar la eficiencia energética de los compresores.

1. Controlar pérdidas en el sistema de aire comprimido. Pueden conseguirse ahorros en la compresión de aire corrigiendo pérdidas en las válvulas de cierre, vástago de las válvulas, accesorios de tuberías, y pérdidas de tuberías dañadas en mangueras. Incluso aunque no presenten pérdidas, emitan olores o presenten daños aparentes, no se ignorarán las pérdidas de aire comprimido.
2. Maximizar el rendimiento del enfriador: Los enfriadores asociados al compresor deben mantenerse limpios y proporcionarse con un adecuado flujo de agua o aire para rendimiento máximo. El aire de enfriamiento que no se ha filtrado, o que es arrastrado a través de filtros pobres, puede ensuciar el paso del frío y los álabes del ventilador. El agua de enfriamiento contaminada puede ensuciar las superficies del intercambiador de calor y acumular depósitos en el interior de la tubería de circulación. El lado del aire comprimido de los enfriadores pueden ensuciarse en la combinación de aire con agua condensada y vapores de aceite. Las medidas a tomar son: limpiar o sustituir filtros, asegurar que los filtros se ajustan correctamente, hacer funcionar ventiladores y bombas de circulación cuando el compresor está funcionando y ensayar que el agua de enfriamiento presurizada está fluyendo, quitar obstáculos al caudal en los pasos de aire, ensayar la contaminación del agua de enfriamiento, controlar que la unidad está operando eficientemente midiendo los parámetros de operación y comparándolos con las condiciones de diseño.
3. Proporcionar aire más frío al compresor. La entrada de aire lo más frío posible al compresor resulta en una menor energía de compresión. Debe por ello procurarse captar siempre aire lo más frío posible.
4. Programa de mantenimiento. Un programa de mantenimiento para el compresor es importante para minimizar el consumo del mismo.
5. Ruido y vibraciones: El ruido y vibraciones anormales en el compresor están causados por uno de los siguientes factores: componentes desgastados, rodamientos mal, lubricación inadecuada y componentes sucios.
6. Control de poleas y transmisiones: Las transmisiones del compresor, que incluyen correas y acoplamientos, proporcionan un largo servicio cuando son diseñadas y mantenidas apropiadamente.
7. Cerrar sistemas aguas abajo. Un compresor de aire puede apagarse periódicamente en periodos que no sea necesario su uso.
8. Limpieza o sustitución de filtros de admisión: La limpieza de filtros de aire de admisión es esencial para la fiabilidad del compresor. Polvo y otras impurezas entrando en el compresor pueden causar que las válvulas se peguen, los cilindros se marcarán y los pistones, engranajes y sellos se desgastarán excesivamente. Los filtros secos también restringen el flujo del aire de entrada, lo cual incrementa la energía requerida por el compresor. Limpiando o reemplazando los filtros de admisión regularmente, la caída de presión de admisión se reduce y se ahorra energía.
9. Reducción de la presión de operación: Ya que la energía requerida por el compresor es directamente proporcional a la presión de operación, pueden ahorrarse costes de energía operando a la presión más baja que satisfará los requerimientos del sistema.

Bibliografía: Compressors and turbines. Energy Management Series. Energy Mines and Resources Canada.