La monitorización del punto de rocío evita las paradas de producción y el rechazo de productos
Los peligros de la humedad y cómo se pueden llevar a la práctica el control de la humedad y la monitorización del punto de rocío constituyen el tema central de una serie de dos artículos, cuya primera parte se publicó en el último número de Process Control. Ambos artículos se han elaborado en colaboración con Frank Moskowitz, instructor del Compressed Air Challenge, y Pascal van Putten, director general de VPInstruments Delft.
Origen de los problemas
En el artículo anterior quedó claro el daño que puede causar la humedad en los sistemas de aire comprimido, como la formación de óxido y la corrosión por picaduras en el interior de las tuberías. Pero la humedad también puede desplazar el lubricante, lo que provoca un mayor desgaste de válvulas, cilindros y herramientas neumáticas. Además, la humedad es perjudicial para la calidad de procesos críticos como la pulverización de pintura, la producción de semiconductores o el transporte neumático de piensos secos. Si se añade humedad, estos últimos se aglomeran. Además, la humedad es un caldo de cultivo ideal para mohos y bacterias, lo que, especialmente en las industrias alimentaria y farmacéutica, puede provocar el rechazo de productos. Las mediciones del punto de rocío son, en entornos industriales, la única forma de medir el contenido de humedad en el aire comprimido y evitar daños por corrosión y el rechazo de productos.
Principio de la medición del punto de rocío
La temperatura de punto de rocío es la temperatura a la que el aire está completamente saturado (= 100 % de humedad relativa). Si la temperatura desciende aún más, se formará neblina, niebla o agua de condensación.
Las tres técnicas más comunes para medir el punto de rocío son los medidores de punto de rocío de espejo, los sensores capacitivos de óxido metálico y los sensores de polímero. En el primer principio de medición, un elemento Peltier enfría un espejo compacto. Cuando se alcanza el punto de rocío del gas, el espejo se empaña, lo que detecta un sensor de luz. La temperatura del espejo en ese momento es el punto de rocío del aire o del gas. Los medidores de punto de rocío de espejo son muy precisos, pero también muy sensibles al polvo, la suciedad y el aceite. Son caros (también en mantenimiento), no son «estables a largo plazo» y, por lo tanto, resultan menos interesantes para su aplicación en entornos industriales. Para ello, los sensores capacitivos de óxido metálico y polímero son considerablemente más adecuados.
El funcionamiento del transmisor VP Dew Point se basa en un sensor de polímero capacitivo resistente al polvo y la suciedad, insensible a la condensación y que ofrece una buena estabilidad a largo plazo.
En particular, el sensor capacitivo de polímeros es el más resistente al polvo y la suciedad, es insensible a la condensación, ofrece una buena estabilidad a largo plazo y es considerablemente más económico que los medidores de punto de rocío con espejo.
Estructura del sensor
El sensor capacitivo de polímero está compuesto por dos electrodos entre los que se encuentra una capa de polímero sensible a la humedad. El electrodo superior es permeable a la humedad, por lo que, en función de la cantidad de humedad presente en el aire, se produce una variación de la capacitancia entre los electrodos. Estos están conectados a la electrónica integrada, que traduce el cambio de capacitancia en la temperatura del punto de rocío, expresada en grados Celsius o Fahrenheit. Algunos sensores de punto de rocío, como el VP Dew Point Sensor, cuentan con un sistema de calefacción interno único, lo que les permite recuperarse muy rápidamente tras haber estado expuestos a una gran cantidad de humedad. Esto puede ocurrir, por ejemplo, si una secadora no funciona correctamente, los separadores de agua no hacen bien su trabajo o los desagües están defectuosos.
Por lo tanto, en el caso de los desagües electrónicos, hay que estar atento a si siguen funcionando correctamente. Por ejemplo, el sensor interno podría estar averiado o el flotador podría atascarse, lo que provocaría que se fuera acumulando cada vez más agua en el fondo del depósito de reserva. Por cierto, un drenaje electrónico casi siempre cuenta con un botón de prueba que permite comprobar su funcionamiento periódicamente. Si el drenaje lleva mucho tiempo defectuoso, en algún momento comenzará a circular condensación por las tuberías, lo que hará que el sensor de punto de rocío indique de repente un «valor muy alto». A veces se piensa entonces que el sensor está defectuoso, pero en realidad son problemas mecánicos o electrónicos los que están causando el problema.
Un buen lugar para colocar un sensor de punto de rocío es justo detrás de la secadora, de modo que también se pueda supervisar el correcto funcionamiento de esta.
Colocar los sensores
La gran pregunta es, por supuesto, cuántos sensores de punto de rocío deben instalarse en un sistema de aire comprimido y dónde deben colocarse para obtener mediciones fiables. La solución más sencilla (inicial) consiste en colocar un sensor de punto de rocío justo detrás del secador y antes del depósito de almacenamiento. De esta forma, también se comprueba el correcto funcionamiento del secador. También es posible colocar el sensor después del depósito de compensación, pero hay que tener en cuenta un retraso en la señal de medición. Si hay dos secadores en paralelo, se recomienda colocar un sensor de punto de rocío detrás de cada uno de ellos. De hecho, si solo se utiliza un sensor en la tubería central que va al depósito de almacenamiento, en caso de una medición anómala no se podrá determinar inmediatamente qué secador está causando el problema. También es aconsejable, en procesos críticos, colocar un sensor de punto de rocío adicional en la tubería de alimentación de dicho proceso, para poder intervenir a tiempo si hay algún problema con el punto de rocío. Esto evita o limita las pérdidas de producción.
Si la instalación de aire comprimido está compuesta por una combinación de varios compresores y secadores, instale un sensor de punto de rocío detrás de cada secador para que, en caso de desviaciones del punto de rocío, se pueda determinar rápidamente qué secador es el causante.
Bloque de ejemplo
Los sensores de punto de rocío funcionan mejor cuando miden un flujo de aire constante. Por lo tanto, no solo depende de dónde se coloquen, sino también de cómo. Por ejemplo, al montarlos directamente en un conducto de aire, los sensores quedan expuestos directamente a la contaminación y la medición puede verse afectada negativamente por las fluctuaciones en el flujo. Además, a menudo se instalan en una válvula de bola, lo que tiene el inconveniente de que pueden formarse bolsas en la válvula en las que el aire, por así decirlo, se estanca. Es mejor utilizar un bloque de muestreo. Mediante una pequeña válvula de aguja, se conduce un pequeño flujo de aire continuo sobre el elemento sensor, lo que garantiza una medición precisa.
En principio, los sensores de punto de rocío pueden instalarse directamente en una tubería de aire comprimido y, como en este ejemplo, combinarse con una válvula de cierre.
Combinar mediciones
Para poder identificar las causas de forma más rápida y eficaz, se recomienda combinar las mediciones del punto de rocío con mediciones de presión, caudal y temperatura. Por ejemplo, se puede instalar un caudalímetro después del secador y del depósito de almacenamiento. En ese caso, es importante elegir un modelo diseñado específicamente para medir tanto aire (muy) seco como húmedo.
También existen los denominados «caudalímetros tres en uno», como el VPFlowScope. Este dispositivo mide, además del caudal, la temperatura y la presión al mismo tiempo. Si estas mediciones se combinan con mediciones tanto del punto de rocío como de la potencia, se obtiene información óptima sobre el correcto funcionamiento de la instalación de aire comprimido. Por ejemplo, si la temperatura de entrada del secador por refrigeración es demasiado alta, o si el caudal es demasiado elevado, el secador tendrá dificultades para enfriar el aire lo suficiente, lo que tiene un efecto directo sobre el valor del punto de rocío. Al añadir sensores de presión en el sistema de aire comprimido, se puede supervisar la pérdida de presión en la instalación del secador y los filtros, lo que permite predecir con exactitud el momento en que hay que sustituir los filtros. Asimismo, una disminución del caudal y/o de la presión puede indicar que el secador está sucio en su interior.
Al medir simultáneamente la potencia, también se puede calcular la eficiencia de la secadora y compararla con la de otras secadoras. Esto, a su vez, puede utilizarse, por ejemplo, para optimizar el mantenimiento y también para comprobar a posteriori si se tomaron las decisiones correctas al adquirir la(s) secadora(s).
Los sensores de punto de rocío funcionan mejor cuando miden un flujo de aire constante. Al montarlos en lo que se denomina un «bloque de muestreo», se conduce, mediante una pequeña válvula de aguja, un pequeño flujo de aire continuo sobre el elemento sensor, lo que garantiza una medición precisa y fiable.
Punto de rocío central o local
Dado que el secado del aire comprimido requiere mucha energía y, por lo tanto, resulta costoso, conviene abordar este tema con un enfoque extremadamente crítico. En muchas empresas, el punto de rocío del aire comprimido se ajusta al proceso más crítico de la fábrica. A menudo se opta por uno o varios secadores por refrigeración y/o secadores por adsorción, que se instalan en la sala de compresores, justo detrás del compresor o compresores. Todos los aparatos y sistemas de la fábrica que funcionan con aire comprimido utilizan entonces el mismo aire seco, pero la pregunta es si esto es realmente necesario en toda la fábrica o solo en procesos o departamentos específicos. En este último caso, se podría optar por secadores locales, que además pueden ser más pequeños, ya que no tienen que secar el volumen total de aire comprimido. Es evidente que esto también supone un gran ahorro de energía.
Otro aspecto a tener en cuenta es si realmente se necesita el mismo punto de rocío bajo durante todo el año y cómo se pueden evitar las fluctuaciones en el punto de rocío debidas a los cambios estacionales. Por ejemplo, aislando mejor las tuberías y/o haciendo que discurran junto a tubos de vapor o de calefacción, lo que evita la formación de condensación en los periodos más fríos.
«La gran pregunta es, por supuesto, cuántos sensores de punto de rocío deben instalarse en un sistema de aire comprimido y dónde deben colocarse para obtener mediciones fiables».
Selección de productos de droguería
En el ámbito del consumo energético, también es fundamental analizar con espíritu crítico cuál es el punto de rocío a presión realmente necesario y/o la conveniencia de pasar a refrigerar todo el aire de forma centralizada. Una buena referencia es la norma ISO 8573-1:2010, en la que los valores del punto de rocío se clasifican en siete clases: de la Clase 0 a la Clase 6.
Otro«enemigo silencioso»es la diferencia entre el punto de rocío a presión (por ejemplo, 10 °C) y una temperatura ambiente más baja en la red de tuberías tras el separador de agua y el secador por refrigeración (por ejemplo, 4,5 °C). Ese descenso de 5,5 grados en la temperatura implica que cada semana se incorporan al sistema 23 litros adicionales de humedad.
La Clase 0 es la categoría más alta, que solo se aplica en casos excepcionales, por ejemplo, cuando se necesita aire comprimido en salas blancas de la categoría más alta. En la Clase 1, el punto de rocío a presión es de -70 °C, mientras que en la Clase 6 es de +10 °C. Analizar bien lo que realmente se necesita puede suponer un gran ahorro tanto en la inversión en la instalación del secador como en su posterior funcionamiento. Los secadores por refrigeración son, en muchas aplicaciones, la solución más rentable para secar el aire comprimido. Su funcionamiento es similar al de un frigorífico normal. Al enfriar la temperatura del aire comprimido, el vapor de agua presente en él se condensa en agua, que posteriormente se evacua. De este modo se alcanza un punto de rocío a presión de entre 3 y 4 °C. Si se requieren valores más bajos, entra en juego el principio de adsorción. Los secadores por adsorción suelen estar compuestos por dos columnas llenas de desecante que se encargan del secado de forma alterna, o bien se regeneran. Mientras el aire comprimido fluye a través de un depósito y se seca, en un segundo depósito se regenera el desecante. Esto puede realizarse en frío (secador por adsorción de regeneración en frío) o en caliente (secador por adsorción de regeneración en caliente). Con los secadores por adsorción se pueden alcanzar puntos de rocío a presión muy bajos, de hasta -70 °C, incluso con grandes volúmenes de aire. A grandes rasgos, se puede partir de la base de que un secador por refrigeración consume aproximadamente 0,3 kW/m³/min de energía, mientras que un secador por adsorción necesita aproximadamente cinco veces más energía (alrededor de 1,5 kW/m³/min).
Secado más eficiente desde el punto de vista energético
Gracias a las innovaciones, hoy en día existen en el mercado nuevas generaciones de secadores por refrigeración y por adsorción que son considerablemente más eficientes energéticamente que los secadores «convencionales». Así, hay secadores por refrigeración que permiten alcanzar puntos de rocío a presión de hasta -40 °C, y existen secadores híbridos o en tándem en los que un secador por refrigeración enfría el aire hasta un punto de rocío a presión de 4 °C, tras lo cual, en la «segunda etapa», se pueden alcanzar puntos de rocío a presión de hasta -70 °C mediante el principio de adsorción. Además, en el marco del coste total de propiedad (TCO), es sensato analizar críticamente el desecante utilizado. Se pueden ahorrar costes cambiando a otra marca o tipo de desecante que, por ejemplo, requiera menos energía de regeneración y/o deba cambiarse con menos frecuencia. Además, en los denominados secadores de adsorción por oscilación de presión (PSA), en los que el desecante se regenera en frío, es importante tener en cuenta el consumo energético real del ciclo de regeneración. En este tipo de secadores, el proceso de regeneración se lleva a cabo con aire comprimido, lo que requiere aproximadamente entre el 15 % y el 20 % de la capacidad nominal del secador a una presión de trabajo de 7 bar(e). Sin embargo, en la práctica esto no siempre tiene por qué ser así.
Es importante que, al medir el caudal en las tuberías de aire comprimido, se utilice un caudalímetro que sea adecuado para medir tanto aire (muy) seco como de aire húmedo, como este VPFlowScope DP.
Por ejemplo, porque el caudal de regeneración está ajustado a un valor demasiado alto, lo que puede deberse a un mantenimiento incorrecto o a un ajuste inicial erróneo durante la puesta en marcha. Por eso, es recomendable comprobar siempre que el caudal de entrada esté ajustado al valor correcto. Esto se puede hacer supervisándolo con un caudalímetro adecuado para medir «aire húmedo», como el VPFlowScope DP midiendo al mismo tiempo el caudal de salida para determinar el caudal de regeneración que sale del secador. También es interesante, al adquirir un secador por adsorción, optar por un modelo con control de punto de rocío integrado. De este modo, el proceso de regeneración se controla en función del punto de rocío real en lugar de por tiempo, lo que también tiene un efecto positivo en el consumo de energía y el TCO.
Por último, también existen los secadores de membrana. En este caso, el secado se lleva a cabo mediante membranas altamente selectivas que permiten alcanzar puntos de rocío a presión de entre -40 °C y +15 °C. Los secadores de membrana son especialmente adecuados para laboratorios o soluciones móviles compactas en las que los caudales son relativamente reducidos. Si bien es cierto que no se necesita una fuente de energía independiente para el secado, este tipo de secadores sí que consumen aire comprimido adicional. Por lo tanto, la clave es prestar mucha atención a los costes a la hora de elegir un secador.
«Otro aspecto que hay que tener en cuenta es si realmente se necesita el mismo punto de rocío bajo durante todo el año».
Depósito de reserva de Droge
Se recomienda instalar un «depósito de almacenamiento de aire seco» independiente justo detrás del secador. Este protege al secador contra la sobrecarga y permite dimensionar el secador en función del caudal medio, en lugar de basarse en un pico de demanda (de corta duración). De este modo, por lo general se puede elegir un secador más pequeño. Además, el depósito adicional contribuye a lograr una presión del sistema más estable y puede incluso tener un efecto positivo en el dimensionamiento y el control del compresor.
«Gracias a las innovaciones, hoy en día existen en el mercado nuevas generaciones de secadores por refrigeración y por adsorción que son considerablemente más eficientes energéticamente que los secadores “convencionales”».
Supervisión permanente
La base para una instalación de aire comprimido saludable y con una rentabilidad óptima es la monitorización continua, en la que se combinan las mediciones del punto de rocío con las de caudal, presión, temperatura y potencia. Al presentar toda la información de forma clara en un sistema de monitorización desarrollado específicamente para este fin, como VPVision, es posible seguir y analizar el comportamiento del sistema las 24 horas del día, los 365 días del año. Las fluctuaciones en la demanda, en el punto de rocío, una temperatura excesiva del compresor: todo se visualiza a tiempo y se emite una alarma oportuna si algo se desvía de lo normal. Además, esto proporciona información extremadamente valiosa para optimizar el mantenimiento, tomar las decisiones de inversión adecuadas para futuras ampliaciones y optimizar el sistema de aire comprimido en su conjunto. La monitorización permanente prolonga la vida útil de los equipos, reduce los costes de mantenimiento y energía, y evita la pérdida de producto y las paradas de producción.
La solución basada en web VPVision se puede consultar en cualquier dispositivo y desde cualquier lugar. Análisis, KPI, resúmenes de consumo, alertas; toda la información se presenta de forma clara y sencilla a través de una serie de pantallas e informes que se pueden organizar a tu gusto.
Por Frank Senteur, de la revista Process Control Magazine.
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