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AIRE COMPRIMIDO
16 de Diciembre de 2013

Diseño de instalaciones de compresores

base es la aplicación o el proceso que utilizará el aire comprimido. Por lo tanto, hay que empezar por detallar éstos como punto de partida de todas las demás actividades d ...

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Los desafíos: bajos costos, adaptable a las necesidades y pensada para ampliaciones
La base es la aplicación o el proceso que utilizará el aire comprimido. Por lo tanto, hay que empezar por detallar éstos como punto de partida de todas las demás actividades de diseño. Hay que calcular o evaluar las necesidades de aire, la capacidad de reserva y el espacio para ampliaciones futuras. La presión de trabajo es un factor crítico, ya que afecta de forma significativa al consumo de energía. A veces puede resultar económico usar diferentes compresores para distintos rangos de presión.

La calidad del aire comprimido no reside sólo en el contenido de agua; cada vez está más enfocada también a los aspectos medioambientales. Los olores y el contenido de microorganismos son factores importantes que pueden afectar a la calidad del producto, a los rechazos de producción, al entorno de trabajo y al medioambiente externo. La decisión de si la instalación debe ser centralizada o descentralizada puede afectar al espacio de suelo necesario y quizás a los planes futuros de ampliación. Desde el punto de vista económico y ecológico, cada vez es más importante investigar las posibilidades de recuperar energía en una fase temprana para obtener un retorno rápido de la inversión. Es importante analizar estas cuestiones pensando en las necesidades presentes y futuras. Sólo después de hacerlo, será posible diseñar una instalación que ofrezca la suficiente flexibilidad.


Cálculo de la presión de trabajo

Los equipos neumáticos de una instalación determinan la presión de trabajo necesaria. La presión de trabajo correcta no depende sólo del compresor, sino también del diseño del sistema de aire comprimido y sus tuberías, válvulas, secadores, filtros, etc. Cada tipo de equipo puede necesitar una presión diferente dentro del mismo sistema.

Normalmente, el valor de presión más alto es el que determina la presión de la instalación. Para los otros equipos se instalarán válvulas reductoras de presión en el punto de consumo. En casos más extremos, este método puede resultar antieconómico y la solución podría ser un compresor independiente para atender las necesidades especiales. También debe tenerse en cuenta que la caída de presión aumenta rápidamente con el caudal. Si se prevén cambios de consumo, tiene sentido, desde el punto de vista económico, adaptar la instalación a estas condiciones.

Los filtros, especialmente los de polvo, tienen una caída de presión inicial baja, pero con el tiempo se obstruyen y deben ser sustituidos a la caída de presión recomendada. Este factor se incluirá en el cálculo. La regulación del caudal del compresor también ocasiona variaciones de presión que deberán incluirse en la evaluación. Puede ser conveniente realizar los cálculos usando el ejemplo siguiente:


Son principalmente los puntos de consumo y la caída de presión entre éstos y el compresor los que determinan la presión que la máquina debe producir. La presión de trabajo se puede determinar sumando la caída de presión del sistema, como se muestra en el ejemplo anterior.

Cálculo del consumo de aire

El consumo nominal de aire comprimido se determina en función de los distintos consumidores. Se calcula sumando el consumo de todas las herramientas, máquinas y procesos que se conectarán, teniendo en cuenta su factor de utilización basado en la experiencia. También deben tenerse en cuenta desde el principio las fugas, el desgaste y los cambios previsibles en el futuro. Un método simple para calcular las necesidades presentes y futuras consiste en definir el aire que necesitan los equipos conectados y el factor de utilización. Para realizar este tipo de cálculo hay que hacer una lista de las máquinas, con su respectivo consumo de aire y el factor de utilización previsto.

Si no se dispone de los datos de consumo de aire o del factor de utilización, se pueden emplear valores estándar. El factor de utilización de las herramientas puede resultar difícil de calcular; por tanto, los valores de cálculo se deberán comparar con el consumo medido en aplicaciones similares. Por ejemplo, los grandes consumidores de aire, como amoladoras y máquinas de chorreo de arena, suelen utilizarse durante largos períodos (3–10 minutos) en funcionamiento continuo, a pesar de su bajo factor de utilización global. No se trata en realidad de un funcionamiento intermitente, por lo que es necesario calcular cuántas máquinas se usarán simultáneamente para determinar el consumo de aire total.

La capacidad del compresor se determina esencialmente por el consumo nominal de aire comprimido. El caudal de salida libre del compresor deberá cubrir este consumo. La capacidad de reserva calculada se determina principalmente por el coste de pérdida de producción derivada de un posible fallo de suministro de aire comprimido. El número de compresores y su tamaño se determinan principalmente por el grado de flexibilidad deseado, el sistema de control y la eficiencia energética. En instalaciones con un solo compreso (debido a restricciones de costes), el sistema se puede preparar para conectar rápidamente un compresor transportable cuando se realice el mantenimiento. También se puede emplear un compresor antiguo como fuente de reserva económica.


Medición del aire requerido

Un análisis operativo proporciona factores claves sobre las necesidades de aire comprimido y sirve de base para evaluar la cantidad óptima que se debe producir. La mayoría de las empresas industriales están en constante evolución, lo que significa que también cambian sus necesidades de aire comprimido. Por tanto, es importante que el suministro de aire comprimido esté basado en las condiciones existentes, considerando un margen adecuado para una futura ampliación.

Un análisis operativo implica la medición de los datos de funcionamiento, complementado si es posible con un análisis exhaustivo de una instalación de aire comprimido semejante durante un período de tiempo adecuado. Las mediciones deberán realizarse al menos durante una semana en condiciones de funcionamiento normales para obtener unos datos correctos. Los resultados de las mediciones también permiten simular diferentes instalaciones al objeto de averiguar la combinación más favorable.

Al diseñar la instalación también deberán tenerse en cuenta factores como los tiempos de carga y descarga. Estos datos sirven de base para evaluar el factor de carga y las necesidades de aire comprimido, distribuidas a lo largo de un día o una semana laboral. El factor de carga no se puede deducir simplemente del cuenta horas del compresor.

Un análisis operativo también sirve para calcular la recuperación de energía potencial. Con frecuencia se puede recuperar más del 90% de la energía consumida. Además, el análisis puede dar respuesta a cuestiones relacionadas con el dimensionado y el método de funcionamiento de la instalación. Por ejemplo, en muchos casos se puede determinar si es posible reducir la presión de trabajo en determinados momentos, y el sistema de control se puede modificar para mejorar la utilización de los compresores con los cambios de producción. También es fundamental comprobar si existen fugas. Para la producción de pequeñas cantidades de aire durante la noche y los fines de semana, hay que pensar si merece la pena instalar un compresor de menor capacidad para cubrir estas necesidades.


Centralización o descentralización

La elección entre un compresor grande centralizado o varios pequeños descentralizados para atender unas necesidades específicas de aire comprimido depende de varios factores. Entre los factores que deben tenerse en cuenta figuran el coste de una parada de producción, la disponibilidad garantizada de energía eléctrica, las variaciones de carga, los costes del sistema de aire comprimido y el espacio disponible.

Instalaciones centralizadas

En muchos casos, la mejor solución es una instalación centralizada, ya que resulta más económica de operar y mantener que varios compresores distribuidos en lugares distintos. Las salas de compresores se pueden interconectar eficazmente y reducir así el consumo de energía. Una instalación central también supone menos costes de monitorización y mantenimiento así como mejores oportunidades de recuperar energía. Igualmente, para instalar los compresores se necesita menos espacio de suelo. Los filtros, refrigeradores y otros equipos auxiliares así como la entrada de aire común, se pueden dimensionar de forma óptima. También resultará más fácil implantar medidas para reducir el ruido.

Para mejorar la eficiencia, en una instalación central que comprenda varios compresores de tamaño diferente se puede utilizar un control de secuencia. Un único compresor grande puede tener más dificultades a la hora de afrontar grandes variaciones en el consumo de aire comprimido sin que disminuya su eficiencia. Por ejemplo, los sistemas que tienen un compresor grande están complementados muchas veces con otros más pequeños para usar durante ciertos períodos, como los turnos de noche o los fines de semana. Otro aspecto que merece la pena considerar es el efecto que el arranque de un motor eléctrico grande tiene en el suministro eléctrico.

Instalaciones descentralizadas

Una instalación con varios compresores descentralizados puede ser la opción preferida para ciertas aplicaciones, ya que implica un sistema distribución de aire comprimido más pequeño y más simple.

Una desventaja de los compresores descentralizados reside en la dificultad de interregular elsuministro de aire comprimido y mantener una capacidad de reserva. Los compresores modernos con equipo de acondicionamiento del aire comprimido totalmente integrado (secadores, filtros, etc.) y con una alta insonorización se pueden instalar en el lugar de trabajo, reduciendo así los costes de distribución del aire comprimido y eliminando la necesidad de un edificio separado o una ampliación de la sala de compresores. Se pueden usar compresores descentralizados para mantener la presión en un sistema que tenga una gran caída de presión si los procesos intermedios consumen temporalmente demasiado aire. Una alternativa con picos extremadamente cortos de consumo de aire consiste en instalar depósitos de aire en lugares estratégicos.

Una máquina o un conjunto de ellas que sean el único consumidor en períodos específicos, se pueden separar de la red y alimentar con su propio compresor descentralizado. La ventaja de esto es que se evita “alimentar” las fugas en las otras partes del sistema y que el compresor se puede adaptar al menor consumo.

Nota del editor: el presente texto pertenece al capítulo “3.1 Diseño de instalaciones de compresores” de la obra denominada Manual del aire comprimido 2011 / Atlas Copco - 7ª edición © Atlas Copco Airpower NV, Belgium, 2011. La reproducción parcial del presente contenido se realiza con la expresa autorización de Atlas Copco Argentina. En la reproducción del presente capítulo se ha omitido una sección denominada “3.1.3 Diseño para funcionar a gran altitud” solo por una cuestión de disponibilidad de espacio.

Los interesados en recibir sin cargo la 7° edición del "Manual del Aire Comprimido" de Atlas Copco pueden solicitarla ingresando a http://www.atlascopco.com/ares/argentina/campaigns/


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