La humedad: el enemigo silencioso de cualquier instalación de aire comprimido
Este artículo, publicado en dos partes, se centra en cómo y en qué medida se genera humedad en los sistemas de aire comprimido, cómo se puede prevenir y cómo se mide y controla el nivel de humedad. Ha sido elaborado en colaboración con Frank Moskowitz, instructor de Compressed Air Challenge, y Pascal van Putten, director general de VPInstruments Delft.
Partículas de suciedad y agua
El aire comprimido puede contaminarse por diversas causas. Para empezar, el aire ambiente aspirado por los compresores contiene partículas de polvo, agua y suciedad, pero también bacterias. Muchas de ellas atraviesan sin problemas los filtros de entrada y llegan así sin obstáculos al sistema de aire comprimido. Además, pueden introducirse partículas de aceite e hidrocarburos en el aire comprimido tanto a través del bloque del compresor como del entorno. Por lo tanto, el aire comprimido que produce un compresor nunca está limpio ni seco. Por eso, tanto antes como después del compresor se utiliza todo un arsenal de filtros, separadores de agua/aceite y secadores para producir aire comprimido con la calidad deseada.
En este artículo nos centramos en la humedad, que siempre está presente en el aire comprimido en diversas formas (vapor, agua). El aire comprimido húmedo es fuente de numerosos problemas. Puede congelarse en las tuberías y provocar la formación de óxido y corrosión por picaduras en su interior. Además, la humedad puede arrastrar el lubricante, que es importante para muchos componentes, lo que provoca un desgaste acelerado de las herramientas y daños en válvulas y cilindros. En la práctica, no es raro que las empresas tengan que hacer frente a gastos adicionales de entre cinco y diez mil euros al mes para sustituir herramientas como consecuencia de los daños causados por el agua. Sin embargo, a menudo esto pasa desapercibido, en parte porque la adquisición de nuevas herramientas suele contabilizarse en otra partida de gastos.
El exceso de humedad en el aire comprimido durante años da lugar a este panorama desolador. Provoca la formación de óxido y corrosión por picaduras, y puede incluso obstruir por completo las tuberías.
Además, la humedad es, por ejemplo, perjudicial para la calidad de los procesos de recubrimiento y, en el pintado por pulverización de la industria automovilística, puede provocar el rechazo de productos y elevados costes de reparación. Además, el aire húmedo es un caldo de cultivo ideal para las bacterias, lo que, especialmente en las industrias alimentaria y farmacéutica, puede provocar el rechazo de productos y paradas de producción, con pérdidas de millones de euros en productos y producción como consecuencia. Las mediciones del punto de rocío son, en entornos industriales, la única forma de medir el contenido de humedad en el aire comprimido y de prevenir daños por corrosión y el rechazo de productos debido a la contaminación por agua. Sin embargo, en muchas empresas solo se miden parámetros básicos del sistema de aire comprimido, como la presión, el caudal y la potencia (consumida). Rara vez se incluye la cuarta medición, tan importante, a saber, la del punto de rocío, cuando precisamente esta puede evitar muchos problemas y costes.
La combinación de cal, óxido, suciedad y bacterias no es, por supuesto, lo ideal para el funcionamiento de los sistemas neumáticos, y menos aún en la industria alimentaria y farmacéutica, donde puede provocar directamente el rechazo de productos y paradas en la producción.
Contenido de humedad y punto de rocío
El punto de rocío de un gas, como por ejemplo el aire, se expresa en grados Celsius y es un indicador de la cantidad de vapor de agua presente en el gas o el aire. Si la temperatura del gas o del aire desciende por debajo del punto de rocío, el vapor de agua se transforma en agua (condensada). En el caso del aire comprimido, hablamos de punto de rocío a presión, ya que nos referimos a la medición de la temperatura del punto de rocío de los gases a una presión superior a la atmosférica. Por lo general, esta es entre 6 y 8 veces mayor. Es importante saber esto porque, al cambiar la presión de un gas, también cambia la temperatura del punto de rocío. Esto se puede ver claramente en la tabla que acompaña a este artículo. Cuanto menor es la presión, menor es el punto de rocío. Esto también se observa en el siguiente ejemplo, en el que el aire atmosférico con una humedad relativa del 30 al 50 % se comprime a una presión de 7 bar. Debido a esa compresión, el aire comprimido resultante queda saturado al 100 %. Esto significa que la temperatura real del aire comprimido (aproximadamente 10 grados por encima de la presión ambiente en la salida del compresor) es, en ese momento, el punto de rocío.
En esta tabla se puede ver cuál es la diferencia en el punto de rocío a presión del aire refrigerado, respectivamente, a una presión de aproximadamente 7 bar (100 PSIG) y la presión atmosférica normal.
Cada vez que se produce un enfriamiento, la humedad presente en el aire se condensa inmediatamente. Para calcular el punto de rocío, se mide la presión de vapor, valor que posteriormente se convierte a litros por metro cúbico de aire comprimido. Tomemos como ejemplo un compresor que produce unos 2,8 m³/min de aire comprimido a 7 bar.
Con una semana laboral de 40 horas, el total asciende a 6.720 m³. Si, por ejemplo, la temperatura del aire comprimido a la salida del posenfriador es de 27 °C, el aire comprimido sin secar está saturado al 100 % (punto de rocío a presión de 27 °C). Al enfriarse hasta una temperatura ambiente de 21 °C, en el aire comprimido de este ejemplo se generan ya unos 6 litros de agua de condensación a la semana. Si la producción es ininterrumpida (24/7), eso supone incluso más de 25 litros de agua a la semana.
Problemas mecánicos
Muchos problemas de humedad se deben a fallos mecánicos. Un ejemplo es el desbordamiento de un separador de agua o de un separador combinado de aceite y agua situado después del compresor. Por lo general, se trata de un sistema con una bola flotante que abre automáticamente la válvula de purga cuando el agua supera un nivel determinado. Sin embargo, no es raro que la bola flotante se atasque. Si el servicio técnico no lo detecta, el agua fluye directamente al sistema de aire comprimido. Si hay un depósito de almacenamiento detrás del compresor y no hay un secador delante, la mayor parte del condensado y el agua se acumulan en la parte inferior de este depósito. Si esta humedad no se purga regularmente, provoca corrosión tanto en el depósito de almacenamiento como en los sistemas posteriores. Además, con el paso del tiempo pueden surgir problemas graves debido a los depósitos de cal. Por lo tanto, se recomienda vaciar el depósito de reserva al menos una vez al día y con mayor frecuencia si los compresores funcionan a plena carga.
Normalmente, detrás del compresor hay un separador de agua o un separador combinado de aceite y agua. A menudo se trata de un sistema con una bola flotante que abre automáticamente la válvula de purga cuando el agua supera un nivel determinado.
Invertir en un sistema de drenaje por flotador, un drenaje temporizado o —mejor aún— un sistema electrónico de drenaje de condensado evita problemas. Pero es imprescindible comprobar periódicamente que esos sistemas funcionen correctamente. Los problemas con el condensado pueden deberse, además de a flotadores atascados, a la acumulación de sedimentos en los elementos de refrigeración de los posenfriadores y los enfriadores de aceite. De hecho, una refrigeración insuficiente hace que se separe menos humedad en el posenfriador, lo que provoca que se introduzca más humedad en el sistema. Sin una medición del punto de rocío, nunca se detectará este problema y, en la práctica, hay cientos de miles, y quizá incluso millones, de empresas en todo el mundo en las que la presencia de agua en el sistema de tuberías se debe a fallos mecánicos.
A menudo se da por sentado que el flotador de un separador de agua funciona siempre correctamente. Sin embargo, no es raro que se atasca con el paso del tiempo. Por lo tanto, es necesario realizar comprobaciones periódicas; de lo contrario, el agua entrará directamente en el sistema de aire comprimido.
Refrigeración por aire
Otro «factor oculto» es la diferencia entre el punto de rocío a presión (por ejemplo, 10 °C) y una temperatura ambiente más baja de 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.
Otro «asesino silencioso» es la falta de conocimiento sobre el funcionamiento de los secadores por refrigeración en relación con la temperatura ambiente. Porque si el secador por refrigeración, tras el depósito de aire (húmedo), enfría el aire hasta un punto de rocío a presión de (en realidad) 10 °C y (por ejemplo, en invierno y en las noches frescas) la temperatura ambiente de la red de tuberías desciende a 4,5 °C, a menudo no se le presta atención. Pero si hacemos los cálculos, ese descenso de 5,5 grados en la temperatura genera en una semana (40 horas) unos 5,5 litros de agua de condensación en el sistema de tuberías. En un funcionamiento 24/7, estamos hablando incluso de 23 litros a la semana, solo porque la temperatura ambiente desciende 5,5 °C con respecto al punto de rocío a presión. Con la medición del punto de rocío detrás del enfriador se puede detectar esto y tomar medidas si es necesario. Por cierto, a muchas empresas les basta con un secador por enfriamiento, pero en ese caso también habrá que tener en cuenta la temperatura ambiente media. Si en casos especiales, por ejemplo en el sector alimentario o farmacéutico o en la industria de los semiconductores, se requiere aire muy seco, entonces se necesita un punto de rocío a presión más bajo (de -20 °C a -70 °C), para lo cual los secadores por adsorción son la solución más adecuada.
A través de una fuga en la tubería, entra aire seco a alta presión en la atmósfera. Como consecuencia, la humedad del aire se condensa y vuelve a entrar en la tubería a través de la fuga, en dirección al aire más seco.
Problemas de tuberías
A través de una fuga en la tubería, entra aire seco a alta presión en la atmósfera. Como consecuencia, la humedad del aire se condensa y vuelve a entrar en la tubería a través de la fuga, en dirección al aire más seco.
Muchas empresas dan por sentado, tras instalar separadores de agua y secadores de aire comprimido, que el punto de rocío a presión está bien ajustado y que el sistema está libre de agua (de condensación). Si todo en el sistema se ha calculado correctamente, funciona bien y la red de tuberías no tiene fugas, esta podría ser una suposición razonable. Pero a menudo no todo funciona de manera óptima y, de hecho, un sistema de tuberías nunca es 100 % hermético. Además, debemos tener en cuenta las propiedades físicas del agua (vapor). Esta siempre se desplazará de un lugar con alta humedad relativa a otro con baja humedad relativa, independientemente de la dirección del flujo de aire.
Esto significa que, por ejemplo, puede entrar humedad en el sistema a través de una fuga en la tubería de aire comprimido. El aire comprimido que sale al exterior a través de una fuga en la tubería se expande rápidamente, lo que extrae calor del entorno y enfría la tubería en ese punto. Esto genera agua de condensación en la tubería, que busca su camino a través de la fuga hacia el aire más seco del interior de la tubería. Esto tiene un efecto negativo sobre el punto de rocío a presión, mientras que la humedad se desplazará rápidamente hacia el interior del sistema hasta acabar llegando a los componentes y procesos. Finalmente, toda la humedad acabará acumulándose en algún lugar. Esto suele ocurrir en el punto más bajo de la instalación, ya que el agua, por naturaleza, está sujeta a la gravedad. Piensa, por ejemplo, en el punto más bajo de la red de tuberías o en la parte inferior de los depósitos de almacenamiento. Otro factor importante que influye es el diámetro de la tubería. Cuanto menor sea el diámetro, mayor será la velocidad a la que el aire comprimido fluye por la tubería. Si este aire contiene humedad, es muy probable que, debido a la alta velocidad del aire, sea impulsado a través de los separadores de agua e incluso de los filtros, y se disperse así por gran parte de la red de tuberías. El uso de tuberías de mayor diámetro aporta más estabilidad al sistema y garantiza una mayor eficacia de los separadores de agua y los filtros.
Equilibrio
Otro dato importante es que cada secador genera un gas inestable que tiende a absorber agua lo antes posible para alcanzar el equilibrio (leyes de Fick). Por ejemplo, en el caso del aire comprimido con un punto de rocío a presión de -40 °C y una presión de 7 bar, la presión de vapor en la tubería es de 0,00013 bar. Fuera de la tubería, el punto de rocío del aire (atmosférico) es, por ejemplo, de 16 °C con una presión de vapor de 0,018 bar. La presión de vapor fuera de la tubería es, por lo tanto, 138 veces mayor que dentro de la tubería. Esto significa que, en un intento por alcanzar el equilibrio, la humedad entrará en el aire comprimido a través de un orificio en la tubería. Si el aire comprimido procede de un secador por adsorción con un punto de rocío de presión de -70 °C, la presión de vapor fuera de la tubería es incluso unas 11 000 veces mayor que la presión de vapor dentro de la tubería. De este modo, la humedad entra en la red de aire comprimido desde el exterior mucho más rápidamente. Si se quiere evitar esto en sistemas con un punto de rocío a presión muy bajo, será necesario hacer que todas las uniones de la red de tuberías sean completamente estancas al gas, por ejemplo, soldando todas las tuberías entre sí de forma integral.
Las mediciones del punto de rocío permiten prevenir problemas y ahorrar costes. El funcionamiento de los medidores de punto de rocío y su ubicación adecuada son los temas centrales de la segunda parte de este artículo, que se publicará en el próximo número de Process Control.
«Otro dato importante es que cada secador genera un gas inestable que tiende a absorber agua lo antes posible para alcanzar el equilibrio».
Sin embargo, en muchos casos esto no ocurre, ya que se suelen utilizar racores de apriete, lo que significa que hay que aceptar que las tuberías de aire comprimido nunca son herméticas. Por lo tanto, siempre entra humedad en el sistema de aire comprimido desde el exterior a través de las fugas.
Mantenimiento y supervisión
Si se desea evitar problemas de humedad, lo primero es asegurarse de que nunca sean causados por fallos mecánicos. Al fin y al cabo, los fallos mecánicos se pueden prevenir fácilmente mediante un mantenimiento periódico. Compruebe regularmente el correcto funcionamiento de los separadores de agua y vacíe periódicamente los depósitos de compensación y las carcasas de los filtros. Seleccione también el secador adecuado que alcance el punto de rocío a presión necesario para la aplicación en cuestión. Ni más, ni menos. A menudo se opta por un aire demasiado seco «por seguridad». Sin embargo, hay que tener en cuenta que el aire seco también atrae más humedad y, en muchos casos, cuesta más de lo que aporta. Detecte también periódicamente las fugas en la red de tuberías y subsánelas. Por último, asegúrese de que se supervisa el punto de rocío. Además, en caso de aire muy seco, se recomienda medir el punto de rocío no solo en la sala de aire comprimido, por ejemplo, después del secador, sino también a nivel de la máquina. En la segunda parte de este artículo, que se publicará en el próximo número de Process Control, se tratará en detalle con qué y cómo se pueden medir y supervisar el punto de rocío y otras magnitudes importantes en las instalaciones de aire comprimido. También se abordará cuáles son los mejores lugares para realizar estas mediciones y cómo esto puede sentar las bases para una instalación de aire comprimido de última generación con características técnicas y económicas óptimas.
vpinstruments
Por Frank Senteur, de la revista Process Control Magazine.
Seminario web: Medición del punto de rocío en sistemas de aire comprimido
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