Solución de problemas de los sistemas de aire comprimido

La mayoría de las instalaciones no priorizan el costo de operar los sistemas de aire comprimido, solo quieren hacer el trabajo. Un estudio de mercado reciente ¹ descubrió que solo el 17 por ciento de los usuarios de aire comprimido valoraban la eficiencia como un objetivo de gestión del sistema de aire comprimido. Al nueve por ciento le preocupaba contener los costos de la energía.

El setenta y uno por ciento simplemente deseaba brindar un suministro de aire consistente y confiable.

Los expertos en aire comprimido han notado que muchos empleados del taller se comportan como si el aire comprimido fuera gratis, usándolo para quitar el exceso de aceite de las piezas mecanizadas, el aserrín de los dispositivos de carpintería, el polvo del piso, etc. En realidad, el suministro de aire comprimido requiere equipos costosos que consume grandes cantidades de electricidad y requiere un mantenimiento sustancial.

El costo inicial de un compresor de 100 caballos de fuerza puede oscilar entre $ 30 000 y $ 50 000 y puede consumir $ 50 000 en electricidad al año. Al mismo tiempo, los costos de mantenimiento anuales pueden representar hasta el 10 por ciento del costo inicial de un sistema. ² Aún así, la misma fuente informa, "Muchas instalaciones no tienen idea de cuánto cuestan sus sistemas de aire comprimido anualmente o cuánto dinero podrían ahorrar mejorando el rendimiento de estos sistemas".

Entonces, para muchas instalaciones, mejorar la eficiencia del aire comprimido es una oportunidad de oro que se pasa por alto no solo para ahorrar dinero en costos de energía, sino también para lograr un suministro de aire comprimido aún más confiable.

Figura 1.

Primero, conozca su sistema
Para mejorar la eficiencia de un sistema de aire comprimido, es importante ver su sistema como solo eso, un sistema. Cuando cambia una cosa en el sistema, ese cambio afecta todo lo demás. Por ejemplo, arreglar una fuga aumentará la presión en el sistema, haciendo que otras fugas más pequeñas sean más grandes. Por lo tanto, reparar fugas y eliminar otros casos de lo que se denomina demanda artificial (uso improductivo de aire) no es una solución completa en sí misma. La reducción de la demanda artificial debe combinarse con estrategias para mejorar el uso de energía y mejorar su sistema de control. El primer paso es conocer su sistema, sus requisitos y cómo se pueden ajustar esos requisitos para ahorrar energía.

Determine sus costos operativos
Los principales costos de operación de un sistema de aire comprimido son el mantenimiento y la energía. Los costos de mantenimiento se pueden determinar a partir de su sistema de administración de activos o auditando los pagos a su contratista de servicio del sistema de aire comprimido, si usa uno.

Opciones para determinar los costos de electricidad de su sistema:

• Calcule la operación funcionando a plena carga, utilizando la clasificación de la placa de identificación del motor del compresor (en caballos de fuerza de freno), la eficiencia de la placa de identificación del motor (o una estimación), las horas anuales de operación y el costo de electricidad por kilovatio-hora. El costo anual de la electricidad es el producto de estas cuatro variables ³
• Determine con mayor precisión el consumo de electricidad a plena carga y, posteriormente, los costos de energía mediante el uso de una pinza amperimétrica o un multímetro para medir la corriente y el voltaje en el compresor a plena carga
• Utilice un registrador de energía para determinar el uso real de energía en kilovatios y pruebe el factor de potencia

Determine los requisitos de demanda
Estime su perfil de carga de aire comprimido en términos de cómo cambia la demanda en pies cúbicos por minuto con el tiempo. Las instalaciones con diferentes requisitos de carga a menudo pueden beneficiarse de estrategias de control avanzadas, mientras que las instalaciones con períodos relativamente breves de gran demanda pueden beneficiarse de las opciones de almacenamiento de aire.

Para establecer un perfil de carga, mida el flujo y la presión en todo el sistema bajo diferentes condiciones de demanda. Tenga en cuenta el efecto de varias cargas en los compresores. Las variaciones significativas en los requisitos operativos pueden requerir un día o más de monitoreo. Puede utilizar un registrador de datos para recopilar y almacenar perfiles de demanda y perfiles de consumo de energía. Esto le mostrará cuándo y por qué ocurren las demandas máximas y mínimas.

Registre las presiones del sistema
Utilice manómetros, un medidor de presión / flujo de aire o un módulo de presión conectado a un multímetro digital para tomar medidas en varios puntos del sistema:

• Entradas del compresor (en el filtro de entrada)
• En sistemas lubricados, el diferencial a través del separador de aire / lubricante
• Las etapas intermedias en compresores de etapas múltiples
• Diferenciales de presión en varios componentes (p. ej., postenfriadores, secadores, filtros, etc.)

Registrar el flujo del sistema
Utilice un medidor de presión / flujo de aire de mano o un medidor de flujo másico para medir el flujo total en varios lugares del sistema y durante diferentes turnos.

• Determine el consumo de aire durante las operaciones
• Establecer puntos de referencia para medir las mejoras en comparación con
• Estime la carga de fuga durante la no producción

Registre las temperaturas del sistema
Utilice la temperatura para evaluar la salud del sistema. En términos generales, el equipo que funciona más caliente de lo esperado no está funcionando de manera óptima y necesita servicio. Para una máxima eficiencia, use un termómetro infrarrojo para registrar las temperaturas de la superficie de los siguientes componentes:

• Temperaturas de salida del posenfriador:puede ser necesario tomar medidas correctivas si el aire de salida del posenfriador excede la temperatura máxima de entrada de 100 grados Fahrenheit
• Temperaturas del aire de salida de los compresores rotativos lubricados. Las operaciones normales requieren temperaturas inferiores a 200 grados F
• Temperatura del aire de entrada en los compresores

Adopte un enfoque de sistema para las mejoras
Las tres estrategias básicas para mejorar el rendimiento de los sistemas industriales de aire comprimido son reducir la demanda artificial, mejorar las estrategias de control y mejorar el uso de energía. Tenga en cuenta que el progreso en un área probablemente afectará a las otras dos, lo que lo convierte en un proceso continuo.

Reducir la demanda artificial significa reparar fugas y encontrar diferentes formas de realizar tareas que desperdician aire comprimido. Observe las prácticas del taller y busque, por ejemplo, el uso de aire del sistema para limpiar piezas y equipos. Luego, eduque al personal que el aire comprimido no es gratis.

El primer paso en el control de fugas es estimar la carga de fugas. Es de esperar alguna fuga (menos del 10 por ciento de la capacidad y la potencia), pero una fuga del 20 al 30 por ciento es común e innecesariamente derrochadora. Determine las cargas de fuga como punto de referencia para comparar las mejoras.

Dado que los sistemas de control varían, también lo hacen los métodos para estimar la carga de fuga. Si el suyo es un sistema con controles de arranque / parada, simplemente arranque su compresor cuando no haya demanda en el sistema (entre turnos o durante un turno fuera de turno si su operación no es 24 horas al día, 7 días a la semana). Tome varias lecturas para determinar el tiempo promedio para descargar el sistema cargado debido a fugas.

Fuga (%) =(T x 100) ÷ (T + t), donde

T =tiempo de carga (minutos) y
t =tiempo de descarga (minutos)

En sistemas con estrategias de control más complejas, coloque un manómetro aguas abajo del receptor y estime el volumen del sistema (V, en pies cúbicos), incluidos todos los receptores secundarios, la red y las tuberías. Nuevamente, sin demandas excepto fugas en el sistema, lleve el sistema a su presión de operación normal (P ₁ , en psig). Seleccione una segunda presión (P ₂ , aproximadamente la mitad del valor de P ₁ ) y mida el tiempo (T, en minutos) que tarda el sistema en bajar a P ₂ .

Fugas (cfm aire libre) =[(V x (P1 - P2) ÷ (T x 14,7)] x 1,25

El multiplicador de 1,25 corrige la fuga a la presión normal del sistema, lo que representa la reducción de la fuga con la disminución de la presión del sistema.

Una vez que tenga este punto de referencia, puede encontrar y reparar fugas mediante el uso de un detector de fugas ultrasónico que reconoce el silbido de alta frecuencia asociado con las fugas de aire. Este método de detección es más rápido y menos complicado que la antigua forma de aplicar agua con jabón con un pincel en las áreas sospechosas.

El área más común de fugas es el punto de uso. Preste especial atención a los acoplamientos, mangueras, tubos, accesorios, juntas de tubería roscadas, desconexiones rápidas, FRL (combinaciones de filtros, reguladores y lubricadores), trampas de condensado, válvulas, bridas y empaquetaduras.

La mejora de las estrategias de control, incluida la adición de componentes como expansores de demanda (controladores de presión / flujo), debe ocurrir junto con el control de fugas y otras demandas artificiales.

El objetivo es proporcionar a la planta aire comprimido a la presión estable más baja mientras se respalda una demanda inesperada con un almacenamiento de aire de alta presión adecuado. Reponer el aire almacenado debe usar una potencia mínima del compresor.

Supervise el uso del compresor y busque:

• Compresores funcionando innecesariamente;
• Compresores, que no sean compresores de compensación, que funcionan a menos de la carga completa;
• Operaciones que no logran mantener una presión promedio relativamente baja; y
• Operaciones que a veces cumplen con los requisitos mínimos del sistema.

Mediante reparaciones de fugas y estrategias de control mejoradas, es posible que pueda eliminar uno o más compresores grandes (en sistemas de múltiples compresores), reduciendo significativamente el uso de energía. También puede volver a agregar

un compresor pequeño para mantener el sistema cargado durante una demanda baja y eliminar las ineficiencias de los compresores grandes que operan a menos de la carga completa. Mejorar el uso de energía implica mejorar la eficiencia del equipo tanto en el lado de la oferta como en el de la demanda del sistema. La eficiencia de todo el sistema depende de la selección adecuada, la instalación correcta y el mantenimiento riguroso de cada componente.

Por el lado de la oferta, considere los siguientes componentes:

• Los motores principales de sus compresores
• Controles del compresor
• Equipo de tratamiento de aire
• Secadoras
• Filtros
• Receptores
• Recipientes de almacenamiento

Además, es fácil pasar por alto la forma en que los tanques de aire manejan la acumulación de condensado. Algunos simplemente dejan que el agua se llene, reduciendo la capacidad y arriesgándose a dañar el sistema. Otros tienen un antiguo sistema automatizado que abre una válvula en forma cronometrada, sea necesario o no. Esto es básicamente una fuga; una mejor solución es una válvula que se abre solo cuando es necesario y se cierra tan pronto como se retira el agua.

Finalmente, dimensione y disponga todo el sistema de modo que la caída de presión total desde el compresor hasta los puntos de uso sea significativamente menor al 10 por ciento de la presión en la descarga del compresor.

Por el lado de la demanda, preste atención a los siguientes componentes:

• Separadores de condensado / lubricante
• Separadores de aire / lubricante
• Sistemas de recuperación de calor
• Sistemas de punto de uso

Vincular el rendimiento del sistema a la producción
En última instancia, el aumento de la productividad es la medida final del éxito. Usando las estrategias descritas aquí, correlacione periódicamente hallazgos como la producción del sistema (pies cúbicos por minuto a psig) y el consumo de energía (kilovatios hora) con las unidades de producción. En general, espere que las mejoras hagan que el uso de energía disminuya a menos que la producción aumente junto con los correspondientes aumentos en las cargas de aire comprimido. Si la producción no aumenta a medida que aumenta la presión, ajuste los controles según sea necesario.

Para obtener más información, visite el sitio web de Fluke Corporation en www.fluke.com.

Notas

¹ Consulte el "Apéndice D" de Mejora del rendimiento del sistema de aire comprimido:un libro de consulta para la industria en línea en http://www.compressedairchallenge.org/library/index.html#Sourcebook. Estudio encargado por el Departamento de Energía de EE. UU. (DOE) con el apoyo técnico del Compressed Air Challenge (CAC).

² Mejora del rendimiento del sistema de aire comprimido:un libro de consulta para la industria:Sección 12, “Economía del sistema de aire comprimido y venta de proyectos a la dirección”, pág. 69.

³ Consulte Ibíd., Sección 10, “Bases de los sistemas de aire comprimido”, pág. 61. y también la Sección 11, “Determinación de sus necesidades de análisis del sistema de aire comprimido”.

Cuantificación de costes energéticos
En una instalación industrial típica de EE. UU., la generación de aire comprimido consume aproximadamente el 10 por ciento de la factura eléctrica total. En algunos casos, es más del 30 por ciento, a un costo estimado de 18 a 30 centavos por 1,000 pies cúbicos de aire.

Mientras tanto, la eficiencia de un sistema de aire comprimido puede ser tan baja como el 10 por ciento. Por ejemplo, operar un motor de aire de un caballo de fuerza a 100 psig requiere un suministro de 7 u 8 caballos de fuerza al compresor de aire.

A continuación, se explica cómo calcular el costo en dólares del aire comprimido:

Costo = (CV x 0,746 x horas de funcionamiento x $ / kWh x% de tiempo de funcionamiento x% CV a plena carga) , eficiencia del motor,

donde

CV =caballos de fuerza del motor a carga completa, con frecuencia más altos que los caballos de fuerza indicados en la placa de identificación del motor,

0,746 =el factor de conversión entre caballos de fuerza y ​​kilovatios,

porcentaje de tiempo de ejecución =porcentaje de tiempo que el compresor funciona a su nivel operativo,

porcentaje de CV a plena carga =bhp como porcentaje de bhp a plena carga en el nivel operativo y

eficiencia del motor =eficiencia del motor a nivel operativo

Suponga que una planta de fabricación tiene un compresor de 200 caballos de fuerza que requiere 215 bhp y funciona durante 6,800 horas al año. Si está completamente cargado el 85 por ciento del tiempo (eficiencia del motor =.95), descargado el resto del tiempo (25 por ciento de bhp a plena carga y eficiencia del motor =.90) y la tarifa eléctrica agregada es $ 0.05 / kWh, entonces

Costo cuando está completamente cargado =(215 CV x 0,746 x 6800 horas x 0,05 USD / kWh x 0,85 x 1,0), 0,95 = 48,792 USD ,

Costo cuando está descargado =215 CV x 0,746 x 6800 horas x 0,05 USD / kWh x 0,15 x 0,25), 0,90 = 2272 USD y

Costo anual de energía =$ 48,792 + $ 2,272 = $ 51,064 .

Fuente:Hoja de consejos n. ° 1 sobre aire comprimido del DOE de EE. UU., "Determine el costo del aire comprimido para su planta", agosto de 2004.