02 febrero 2010

Proyectos de reacondicionamiento de los viejos compresores

Los grandes compresores construidos hace varias décadas siguen prestando servicio en muchas empresas o edificios. Donde se requiere mucha energía, especialmente para procesos de enfriamiento, podemos encontrar varios miles de C.V. alimentando grandes compresores. Esa situación sólo puede darse por dos motivos, por problemas de financiación o porque la propiedad no es consciente de los muchos miles de euros que está tirando a la calle.
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En varios artículos venimos hablando de las posibilidades de ahorro energético que tenemos con los compresores, especialmente los grandes compresores (ver “Eficiencia energética en compresores de aire”, “Sobre las últimas tecnologías en compresores industriales de refrigeración y su eficiencia” o “Sistemas de recuperación de calor en compresores”).
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Hoy ha llegado el momento de seguir hablando de compresores pero centrarnos en esta ocasión en los proyectos de reacondicionamiento de viejos compresores o retrofit. En este blog creemos que en la recuperación de las viejas máquinas hay un potencial mucho mayor del que se cree, pero lamentablemente hay muy poca literatura sobre esta interesante disciplina (ver “Automatizar y reacondicionar máquinas viejas, usadas o antiguas”).
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En el caso de los compresores, y si nos centramos en la recuperación de energía, cuanto más viejo sea el compresor mejores resultados obtendremos. Veamos una por una qué posibilidades tenemos para ahorrar energía en compresores existentes.
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Oportunidades de retrofit en compresores
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Las oportunidades de retrofit son acciones de gestión de la energía que se hacen una vez solamente y por ello el coste es significativo. Muchas de estas oportunidades en esta categoría requerirán análisis detallado por especialistas y van más allá del alcance de este módulo. Veamos cuales son las oportunidades más comunes y por qué.
  • Instalar un sistema de recuperación de calor para extraer calor del agua de enfriamiento del compresor o usar el calor en otro punto del centro. Ejemplos de tales sistemas incluyen intercambiadores de calor fluido a fluido o serpentines de agua caliente en unidades de manejo de aire.
  • Instalar carcasas alrededor del compresor para atrapar el aire cargado de calor o humedad y llevarlo directamente al exterior. Si no es posible colocar estas carcasas, los compresores deben recolocarse en áreas aisladas que tengan sistemas de enfriamiento individuales.
  • Donde sea posible, el aire del compresor se usará para calentar el edificio. Puede utilizarse como cortina de aire en los muelles de carga o como aire complementario para la planta. Si el aire no puede usarse directamente, se utilizarán intercambiadores de calor aire a aire.
  • Instalar sopladores de baja presión en lugar de compresores de aire para reducir las cargas de calentamiento del edificio.
  • Sustituir los compresores de aire mono-etapa con compresores de dos etapas de alta eficiencia.
  • Instalar post-enfriador (aftercooler) de aire comprimido de aire frío en serie con unidades de agua fría para asistir al sistema de calentamiento de planta y reducir consumo de agua de enfriamiento.
  • Instalar control de velocidad variable en motor de compresor para optimizar el consumo de energía respecto a la demanda de aire comprimido.
  • Sustituir un compresor de aire central y un sistema de distribución con compresores múltiples localizados cerca de los puntos de uso.
  • Instalar un sistema de control de gestión de energía con microprocesador.
  • Instalar un receptor de aire que permita al compresor de aire operar con la máxima eficiencia bajo cargas fluctuantes.
Veamos algunos ejemplos que nos ayudarán a estimar el ahorro de costes potencial. Los cálculos se realizaron con instalaciones ubicadas en Canadá y la moneda es dólar canadiense.
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Recuperación de calor de agua fría
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Un compresor de aire de tipo recíproco de tres etapas localizado en una planta de proceso impulsado por un motor a través de un reductor de velocidad. El agua de enfriamiento se dirigía a un drenaje después de enfriar el compresor. Utilizando la energía térmica mediante un intercambiador de calor obtendríamos los siguientes beneficios:
  • Potencia nominal: 450 kW
  • Factor de potencie: 0,92
  • Coste del combustible unitario: $ 0,40/L
  • Tiempo de operación: 4.480 h/año
El rendimiento calculado en el motor fue de 427 kW. Ya que el compresor se impulsaba con un reductor de engranajes, la entrada al eje del compresor fue menor, concretamente 417 kW.
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El coste total del proyecto de retrofit incluyendo tubería, intercambiador de calor, equipo eléctrico y dispositivos de seguridad y control fue estimado en $19.600.
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Payback simple = $19.600 / $44.537 = 0,44 años (cinco meses)
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Como vemos, esta actuación resulta extraordinariamente ventajosa ya que la inversión se recupera en tan solo 5 meses con el ahorro de combustible conseguido.
Ejemplo de retrofit en compresores cerrados
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El calor de un compresor de aire frío, incluyendo el intercooler y motor, eran rechazados y desperdiciados. Consecuentemente, el aire de ventilación del edificio tenía que ser enfriado por 1.200 horas al año para compensar la ganancia de calor del compresor. Se reconocía que los costes de energía de enfriamiento podían reducirse instalando una carcasa sobre el compresor y proporcionando una circulación controlada de aire del exterior a través de la envolvente.
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El motor eléctrico se conectó al compresor por una transmisión de correa en V.
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Los resultados de este proyecto son los siguientes:
  • Potencia nominal de salida: 112 kW.
  • Coste unitario de la energía: $0,05/kWh
  • Tiempo de operación: 1200 h/año.
La salida de potencia en el eje del motor fue de 90,5 kW y la entrada de potencia al eje del compresor fue 87,5 kW. El ahorro anual en la energía de enfriamiento se calculó en $922 por año. Una carcasa alrededor del compresor y un ventilador de suministro de aire se estimó en $4.650.
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Payback Simple: $4.650/$922 = 5 años
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Recuperador de calor del compresor

Una sala de compresores localizada en una planta de proceso contenía cinco compresores de aire frío, de tornillo, de 75 kW, con acoplamiento directo. Cada unidad tiene un intercooler para enfriar el aire. La sala de compresores está aislada del resto de la planta, pero se ha determinado que el aire caliente de la sala del compresor puede ser usado para compensar algunas de las necesidades de calentamiento en el invierno. El sistema de calentamiento de planta usaba combustible a un coste de $0,22/L.
En los cálculos se estimó que el calor se necesitaba durante 2.160 horas al año.
El ahorro de combustible anual se calculó en $9.793 al año. El coste de añadir conductos, filtros, ventiladores y controles se estimó en $21.700.

Payback simple = $21.700/$9.793 = 2,2 años

El ahorro conseguido se reducirá ligeramente por el coste de operación del ventilador.

Compresor de aire reemplazado por soplador a presión

Un proceso industrial usa aire a 55 kPa. El aire es suministrado por un compresor recíproco de una sola etapa a través de un depósito receptor de aire. El compresor está equipado con dispositivos de descarga internos que mantienen el receptor de aire a 225 kPa. De observaciones propias se determinó que el compresor operaba aproximadamente 6.596 horas al año cargado y 1.828 horas al año descargado. El aire se extraía del receptor de forma continuada durante 8.424 horas al año.
Se decidió calcular el ahorro obtenido sustituyendo el compresor con un soplador de presión (tipo lóbulo). Para poder realizar los cálculos convenientemente, se analizó el consumo y se determinaron los costes.
El payback obtenido en ese caso fue de 3,7 años

Compresores de alta eficiencia

Un compresor de una sola etapa se controló y determinó trabajaba durante 4.000 horas al año. Se estudió la factibilidad de sustituir el compresor con una unidad más eficiente. Se trataba de un compresor con una entrada de 16,1 kw.
El payback simple del compresor se calculó en este caso en 5,0 años.

Incorporar aftercooler de aire frío

Un compresor de aire frío con transmisión de correas y motor de 75 kW tenía un afterccoler de agua fría. Se planteo que instalar un aftercooler de agua fría en serie con el aftercooler exixtente puede reducir parte de la carga de calentamiento del edificio durante la estación de calentamiento. El compresor opera unas 2.000 horas durante el periodo de calentamiento. De los registros exteriores de temperatura se determinaron los registros de carga de calenteamiento. Se estimó que aproximadamente un 80 % del calor rechazado se usaba efectivamente para calentar el edificio. El coste unitario del vapor fue $0,022/kg.
La entrada de energía requerida para el eje del compresor se estimó en 72,5 kW. El coste instalado de un nuevo aftercooler y conductos se estimó en $5.300.
El payback simple de esta intervención fue de 2,3 años.

Transmisiones de velocidad variable

A un compresor de aire recíproco con un dispositivo de descarga de 75 kW se consideró la instalación de un dispositivo de control de velocidad del motor de frecuencia variable. Los registros indicaron que el compresor operaba a 3.072 horas al año completamente cargado y 3.881 horas descargado. El coste de energía eléctrica unitario se determinó en $0,05/kWh.
El payback calculado en la instalación fue de 8,9 años.

Sustituir compresores centrales por unidades múltiples

Las estaciones de aire comprimido con baja eficiencia y considerable mantenimiento se comparan con compresores dimensionados para cargas individuales y localizados cerca del punto de uso. Los grandes compresores centrales que se dimensionan para una carga pico de la planta completa y a las presiones más altas operarán a la eficiencia pico cuando no se requiere todo el caudal de aire. Los compresores múltiples pueden operar a la eficiencia pico durante un mayor periodo de tiempo y por ello lo harán más eficientemente.

Sistemas de gestión del compresor con microprocesador

El sistema de gestión del compresor mediante microprocesador puede conseguir reducciones importantes de energía superiores a las acciones individuales, y ello lo consigue integrando varias funciones de control.

Instalar un tanque receptor de aire

Un motor eléctrico de aire comprimido que opera en una factoría está directamente conectado al sistema de distribución de aire comprimido. Funciona 8.760 horas al año. Las mediciones de presión indicaron que el compresor a menudo funcionaba cuando el aire comprimido no era requerido y se sobrepresurizaba el sistema.
Se reconoció que, instalando un receptor de aire, el compresor puede cerrarse durante los periodos en los que el aire no se requería.

El payback calculado con esta acción fue de 3,9 años.

Las conclusiones que podemos extraer de este artículo son que los compresores de aire propician oportunidades de inversión en eficiencia energética de lo más rentables. Todas las acciones se amortizan en muy pocos años. Las transmisiones de velocidad variable son el elemento que más tarda en amortizarse, aunque sobre esto hay que decir que estos datos son algo antiguos.

La información de este artículo procede de datos oficiales del gobierno canadiense.

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