La eficiencia de las instalaciones de aire comprimido puede aumentar considerablemente

En los compresores de aire comprimido convencionales, entre el 85 % y el 95 % de la energía consumida se pierde en forma de calor. Si, además, en el sistema posterior se producen fugas, se utilizan filtros que aumentan la resistencia o se emplean secadores que deben regenerarse con aire comprimido, el rendimiento energético total de la instalación apenas supera el 5 %. Sin embargo, hoy en día se puede mejorar considerablemente. En primer lugar, las nuevas generaciones de compresores y secadores gestionan la energía consumida de forma mucho más eficiente. Además, gracias a las técnicas de recuperación de energía, los métodos de medición específicos y la monitorización, se pueden dar pasos adicionales para lograr, en última instancia, un ahorro en el consumo total de energía de entre el 10 % y hasta el 50 %.

Pregunte a las empresas manufactureras cuánto les cuesta exactamente la generación y distribución de aire comprimido y se sorprenderá de la respuesta más habitual: «No tenemos ni idea. Mientras funcione, nos da igual». Es extraño, por supuesto, ya que el aire comprimido es un vector energético extremadamente caro que representa nada menos que el 10 % del consumo eléctrico industrial total. Con este tipo de cifras, cabría esperar que se controlasen minuciosamente los costes de las instalaciones de aire comprimido y que se hiciera todo lo posible por aumentar el rendimiento. Pero nada más lejos de la realidad, y esto resulta aún más llamativo porque, al margen de los costes, también aumenta la presión social para reducir el consumo energético y las emisiones_{de CO₂} de las fábricas. Esto se exige cada vez más a las empresas de producción a través de la nueva legislación (inter)nacional, que les pregunta cuánto les cuesta exactamente la generación y distribución de aire comprimido, y se sorprenderá de la respuesta más habitual: «No tenemos ni idea. Mientras funcione, nos da igual».

Es extraño, por supuesto, ya que el aire comprimido es una fuente de energía extremadamente cara que representa nada menos que el 10 % del consumo eléctrico industrial total. Ante cifras como estas, cabría esperar que se controlasen minuciosamente los costes de las instalaciones de aire comprimido y que se hiciera todo lo posible por aumentar su rendimiento. Pero nada más lejos de la realidad, y eso es aún más sorprendente porque, al margen de los costes, también la presión social lo exige. El ahorro de aire comprimido encaja bien en este contexto y, en muchos casos, es incluso muy fácil de conseguir y a un coste relativamente bajo. Como la sustitución de mangueras y racores con fugas y/o la reducción de la presión. Pero también las inversiones en compresores nuevos y más rentables, con accionamientos más eficientes energéticamente y sistemas integrados de recuperación de calor, suelen amortizarse por completo en pocos años. Así que ya es hora de que las empresas examinen críticamente su suministro de aire comprimido y empiecen a ahorrar. Porque eso es posible en casi todos los casos y supone rápidamente una reducción de costes de muchos (decenas de) miles de euros al año.

¿En modo estacionario o con regulación de revoluciones?

Dado que la capacidad de las instalaciones de aire comprimido suele ajustarse a la demanda máxima, esto implica que muchas instalaciones están sobredimensionadas. Además, a menudo se ajusta una presión del sistema demasiado alta para garantizar que todo siga funcionando correctamente hasta el último rincón de la fábrica. Desde el punto de vista energético, esto no es lo ideal, ya que cada bar por encima de la presión nominal supone un aumento del 7 % en los costes energéticos. El reto de conseguir el «sistema ideal» con el menor coste total de propiedad (TCO) empieza por el diseño de la sala de compresores. En la mayoría de los casos se optará por compresores de tornillo, por lo que la pregunta es: ¿cuántos, de qué tamaño y con regulación de velocidad o sin ella? Antes de ponerse manos a la obra, es aconsejable, en caso de sustitución, realizar primero una auditoría o un análisis del aire.

Los compresores fijos se encargan de cubrir la demanda básica de aire comprimido, mientras que el compresor con regulación de revoluciones se encarga de absorber las fluctuaciones en la demanda de aire comprimido por encima de la demanda nominal…

Para ello, se registra con precisión el consumo real de aire comprimido de la producción mediante mediciones específicas realizadas a lo largo de varios días. Esto proporciona una imagen clara de la capacidad necesaria y de las fluctuaciones de la demanda a lo largo del tiempo, en base a lo cual se puede determinar la configuración ideal de los compresores. Además, se puede elegir entre compresores estacionarios que se conectan en carga nula o a plena carga (es decir, «encendido/apagado») y compresores con regulación de revoluciones, en los que la producción se adapta a la demanda actual. Es importante saber que, para los compresores, el funcionamiento a plena carga es la situación más idónea, ya que en ese caso la energía consumida se convierte de la forma más eficaz en aire comprimido. Sin embargo, en el caso de los compresores fijos, esto implica que la demanda de aire comprimido debe ser prácticamente constante; de lo contrario, los compresores se encenderán y apagarán con demasiada frecuencia.

Sin embargo, en muchas situaciones la demanda no es constante. Para poder absorber de forma rentable las fluctuaciones en el consumo de aire comprimido, la capacidad total demandada puede repartirse entre varios compresores fijos (más pequeños). Mediante un sistema de control inteligente, estos se encienden y apagan en función de la demanda. También es posible combinar uno o varios compresores fijos con un compresor de velocidad variable. Los compresores fijos se encargan entonces de cubrir la demanda básica de aire comprimido, mientras que el compresor de velocidad variable compensa las fluctuaciones en la demanda de aire comprimido por encima de la demanda nominal. Las máquinas actuales con regulación de revoluciones funcionan de forma óptimamente rentable en un amplio rango de capacidad, desde aproximadamente el 20 % hasta el 100 %. Y si en una parte de la fábrica se necesita una presión (mucho) mayor, considere la posibilidad de utilizar solo boosters para esa parte.

Innovación en compresores

El accionamiento de los bloques de compresores se realiza, por lo general, mediante motores eléctricos. Si bien al principio se utilizaban motores de corriente trifásica estándar (con o sin regulación de frecuencia), en los últimos años se han introducido nuevos tipos de motores eléctricos, entre los que se incluyen motores de corriente trifásica más eficientes (IE3/IE4) y motores de imanes permanentes y de reluctancia síncrona, cuya velocidad de giro se puede controlar con precisión. Esto permite accionar los tornillos de un compresor directamente, es decir, sin la intervención de una caja de engranajes, lo que ya supone una mejora considerable del rendimiento. Dado que, en los compresores de tornillo de dos etapas (sin aceite), los bloques compresores pueden funcionar a diferentes velocidades, el compresor en su conjunto resultó mucho más rentable

Equipados con accionamientos directos de velocidad variable, los nuevos compresores son hasta un 50 % más eficientes energéticamente que un compresor estacionario convencional de velocidad fija y motor de corriente trifásica. Además, si se aplica la recuperación de calor, dependiendo del sistema, se puede recuperar también alrededor del 95 % del calor del aire de refrigeración y aproximadamente el 76 % del calor del circuito de aceite, y aprovecharlo para la calefacción de espacios (a través del circuito de calefacción central) o para calentar procesos en la fábrica.

Por ejemplo, los secadores por adsorción deben regenerarse a intervalos determinados, lo que supone un gasto energético adicional. Una excepción a esto son los nuevos secadores «sin consumo energético» por calor de compresión, que utilizan el calor del compresor para regenerar el desecante. También existen ya los denominados secadores en tándem, en los que se combina en un solo aparato un secador por refrigeración con un secador por adsorción, lo que hace que estos secadores combinados tengan un rendimiento considerablemente mayor que el de las generaciones anteriores de secadores por refrigeración o por adsorción.

Introducir y supervisar

Para poder evaluar adecuadamente el comportamiento y los costes de las instalaciones de aire comprimido, será necesario realizar mediciones en distintos puntos. Esto se puede hacer (o encargar que se haga) de forma periódica, pero si se quiere optimizar realmente el sistema, habrá que utilizar instrumentos de medición instalados de forma permanente, incluyendo un sistema de monitorización con el software correspondiente. Por supuesto, se pueden imaginar todo tipo de escenarios y realizar mediciones de presión, caudal y humedad hasta el nivel de detalle de cada máquina, pero a menudo eso no es necesario. Lo que sí es importante medir en cualquier caso es la potencia absorbida por el compresor, la presión del sistema y el caudal de aire comprimido. Además, hay que tener en cuenta que la presión, la temperatura ambiente, la temperatura del agua de refrigeración, el estado de los filtros de admisión, etc., también influyen en la potencia absorbida por un compresor. Para poder medir esto de forma fiable, es importante utilizar medidores de potencia trifásicos. Estos no solo miden continuamente la intensidad de la corriente (A), sino también la tensión actual (V) en las tres fases del cable de alimentación. Con este tipo de medidores de potencia se pueden medir y calcular automáticamente el factor de potencia (PF), la tensión, la corriente, Cos φ y muchos otros parámetros eléctricos. A la hora de determinar el factor de potencia, se tiene en cuenta tanto el desfase de la corriente con respecto a la tensión (Cos φ) como la distorsión de la corriente, en comparación con una onda sinusoidal perfecta. En el caso ideal, el factor de potencia es 1, pero si el Cos φ es demasiado bajo, o la distorsión armónica total (THD) demasiado alta, el valor del factor de potencia disminuirá.

Medidores de caudal, presión y temperatura

Los instrumentos más utilizados para medir el caudal de aire comprimido son los medidores de flujo másico térmicos, los medidores de vórtice, los medidores de presión diferencial, los medidores Coriolis, los medidores de flujo mecánicos (rotativos) y los medidores ultrasónicos (de fijación). Los medidores de presión diferencial miden el caudal basándose en la caída de presión a través de una brida de medición. Estos medidores se utilizan a menudo para mediciones de capacidad según la norma ISO 1217. Si se desea realizar mediciones de gran precisión, los medidores Coriolis son la elección adecuada, aunque son hasta diez veces más caros que los medidores de flujo másico. Por lo tanto, para medir el aire comprimido, los medidores de flujo más adecuados son los medidores de flujo másico térmicos. Tienen un amplio rango dinámico, miden el caudal basándose en la pérdida de calor y ofrecen una atractiva relación calidad-precio. Sin embargo, son sensibles al agua y al aceite, por lo que no se pueden utilizar para mediciones antes del secador. Para esta aplicación existen medidores de flujo de inserción basados en la presión diferencial. Los medidores más modernos son capaces de medir múltiples valores, entre ellos el flujo (bidireccional), la presión, la temperatura y el flujo total.

Artículo escrito por Frank Senteur en Process Control 2 – 2021