13 abril 2011

Eficiencia energética en instalaciones de aire comprimido (1ª PARTE)


El aire comprimido es una tecnología probada con muchas aplicaciones en la industria. Se usa en procesos de extrusión, pulverización de pintura, moldeo por soplado pero también en procesos máas genéricos como la producción por vacío, procesos de manipulación, y para aplicaciones de control y transporte.

Pero el reparto de aire comprimido es una operación costosa. El reparto requiere equiposw costosos que consumen grandes cantidades de electricidad y mantenimiento frecuente. La estructura de costes de un sistema de aire comprimido y sus componentes (precios año 2007) son los siguientes: 
  • Producción: 4,45...8,90 euros/kNm3.
  • Secadores: 0,45...1,60 euros/kNm3.
  • Distribución: 0,25...0,75 euros/kNm3.
  • Pérdidas: 0,75...2,25 euros/kNm3.
En general, el coste de la energía relacionado con el sistema de aire comprimido representa alrededor del 10 al 15 % de la cuenta de electricidad en un consumidor industrial. En este artículo daremos una revisión técnica y soluciones organizativas que maximicen la eficiencia energética del sistema completa. La implementación de estas medidas puede ahorrar hasta el 25 % de los costes de electricidad relacionados con los sistemas de aire comprimido.

Aspectos técnicos del aire comprimido

Para la producción con aire comprimido se usan tres tipos de compresores:
  • Compresores de pistón o recíprocos.
  • Compresores de tornillo rotatorios.
  • Compresores centrífugos rotatorios.
Los compresores recíprocos son máquinas de desplazamiento positivo: Incremetnan la presión del aire reduciendo su volumen. Esto significa que están tomando sucesivos volúmenes de aire, que se confinarán con un espacio cerrado, y elevarán el aire a una presión más alta. El compresor recíproco funciona por la actuación de un pistón dentro de un cilindro como elemento de compresión y desplazamiento. El compresor está disponible en una configuración mono-etapa o multi-etapa, dependiendo del nivel de presión. Los compresores de pistón tienen una alta eficiencia (75 %) pero requieren un mantenimiento considerable, debido a las válvulas de pistón.

Los compresores de tornillo rotatorios son también compresores de desplazamiento positivo. Este tipo de compresores consiste en dos rotores con una envolvente donde los rotores comprimen el aire internamenta. Ya que no hay válvulas, el mantenimiento es menos intensivo. Estas unidades están básicamente refrigeradas por aceite (con refrigeradores de aceite enfriados por aire o agua), donde el aceite sella los espacios internos. La eficiencia es aproximadamente del 71 %.

Los compresores de tornillo libres de aceite utilizan terminales de aire especialmente diseñados para comprimir aire sin aceite en la cámara de compresión produciendo verdadero aire libre de aceite. La eficiencia de este tipo de compresores es alrededor del 73 %.

El compresor centrífugo es un compresor dinámico, que depende de la transferencia de energía de un impulsor rotatorio en el aire. Los compresores centrifugos producen descarga de alta-presión convirtiendo el momento angular impartido por el impulsor rotatorio. Estos tipos de compresores están diseñados para capacidades más altas porque el caudal del compresor es continuo. La eficiencia es aproximadamente del 75 %.

Tratando con demandas variables

La demanda de aire cambia continuamente en una factoría industrial. Por lo tanto, los controles del sistema necesitan acoplar el susministro de aire comprimido con la demanda del sistema y uno de los determinantes más importantes en la eficiencia de energía del sistema total. El control clásico es el control de carga/descarga. La presión del sistema se controla y descarga el compresor cuando la presión de descarga es adecuada. Cuando la presión del sistema alcanza un nivel mínimo predeterminado, el compresor se carga, y la presión se elevará. Cuando el motor funciona de forma continuada, un compresor de tornillo rotatorio descargado consumirá entre el 15 y el 35 % de la potencia a plena carga, sin producir ningún trabajo útil. Cuando la demanda es volátil, hay mucha conmutación entre carga y descarga, resultando un consumo durante los periodos de descarga del 40 % o incluso más alto.

Cuando cambiamos de carga a descarga, la potencia de descarga mínima no se alcanza inmediatamente. Los cambios rápidos de carga a descarga dan como resultado una potencia de descarga promedio más alta. El almacenaje puede usarse para controlar la variabilidad de la demanda en un sistema de aire comprimido. Los depósitos del receptor almacenan aire comprimido, que puede satisfacer la demanda temporal de aire comprimido sin grandes caídas de presión en el sistema. Esto permite a los compresores más pequeños satisfacer cargas variables. Debido a que los compresores más pequeños funcionan más continuadamente que los grandes compresores, esto puede dar como resultado un ahorro de energía significativo.

Trabajando con más de un compresor

Cuando la demanda de aire está variando entre caudales de volumen alto y bajo, el tiempo de descarga puede llegar a ser muy alto. El tiempo de descarga, y un consumo de energía inútil puede reducirse instalando más de un compresor con una capacidad nomianl más pequeña, de esa forma los compresores no necesarios pueden apagarse cuando no son necesarios.  

El tiempo de descarga, y el consumo de energía inútil puede reducirse instalando más de un compresor con una capacidad nominal más pequeña, de esa forma los compresores se apagan cuando no se necesitan. Para los compresores de múltiples etapas, la presión de activación del compresor de la carga base es un poco más alta que la presión de activación de los compresores que van con retraso. Solamente generará ahorro energético ya que los compresores continuarán funcionando sin carga mientras que extraen una fracción significatica de la potencia a plena carga. Sin embargo, la mayoría de los compresores tienen un modo "sleep" o "automático" en el que el compresor se apaga si funciona descargado durante 5 o 10 minutos.

Continua en 2ª PARTE
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