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  • 1. EFICIENCIA ENERGÉTICA EN INSTALACIONES DE AIRE COMPRIMIDO Septiembre de 2011 GUÍA DIDÁCTICA COMPLEMENTARIA PARA MÓDULOS DE NEUMÁTICA 1
  • 2. Eficiencia energética en instalaciones de aire comprimido INDICE 01. -INTRODUCCIÓN........................................................................................................................................4 02 . - Sistema de Producción, DISTRIBUCIÓN Y PREPARACIÓN de aire comprimido .....................................................................................................................................................................................9 2..1 FACTORES A CONSIDERAR EN LA SALA DE PRODUCCIÓN...................................9 1.1..COMPRESOR......................................................................................................................................10 1.1.1.SELECCIÓN DEL TIPO DE COMPRESOR ...................................................................................10 1.1.2.SISTEMA DE REGULACIÓN DE COMPRESORES .....................................................................11 1.1.1.MANTENIMIENTO DEL COMPRESOR .......................................................................................11 1.1.2.PRESIÓN DE ENTRADA DEL AIRE .............................................................................................12 1.1.3.PRESIÓN DE OPERACIÓN .............................................................................................................12 1.1.4.TEMPERATURA DEL AIRE A LA ENTRADA.............................................................................13 1.1.5.RECUPERACIÓN DEL CALOR GENERADO EN LA COMPRESIÓN .......................................13 2..2 FACTORES A CONSIDERAR EN LA PREPARACIÓN DE AIRE COMPRIMIDO 14 1.1.SECADOR.............................................................................................................................................14 1.2.VÁLVULAS DE PURGA.....................................................................................................................14 1.3.FILTROS...............................................................................................................................................14 1.4.SEPARADOR DE ACEITE..................................................................................................................15 2..3 FACTORES A CONSIDERAR EN LA RED DE DISTRIBUCIÓN.................................15 1.1.REDUCIR LA CAÍDA DE PRESIÓN EN LA RED DE DISTRIBUCIÓN.........................................16 1.2.SELECCIÓN Y DISTRIBUCIÓN DE DEPÓSITOS SECUNDARIOS..............................................16 1.3.SECTORIZACIÓN POR PRESIÓN.....................................................................................................16 1.4.REDUCCIÓN DE FUGAS....................................................................................................................17 03. -UTILIZACIÓN DE AIRE COMPRIMIDO........................................................................................19 3.1. ACTUADORES NEUMÁTICOS................................................................................................19 3.1.1.ACCIONES A REALIZAR SOBRE LA PRESIÓN..........................................................................19 3.1.2.ACCIONES A REALIZAR SOBRE LAS FUGAS...........................................................................21 3.1.3.ACCIONES RELACIONADAS CON SU DIMENSIONAMIENTO...............................................24 3.2. COMPONENTES PARA VACÍO...............................................................................................26 3.2.1.EYECTORES.....................................................................................................................................27 3.2.2.DIMENSIONAMIENTO DE VENTOSAS.......................................................................................29 3.2.3.NIVEL DE VACÍO EN EL INTERIOR DE LAS VENTOSAS........................................................30 3.2.4.VÁLVULA DE SOPLADO PARA EXPULSIÓN............................................................................30 3.2.5.FUGAS EN LA PARTE DE VACÍO.................................................................................................31 3.2.6.TUBERÍAS ENTRE EYECTOR Y VENTOSAS..............................................................................31 3.2.7.FILTRO DE SUCCIÓN......................................................................................................................32 3.3. APLICACIONES DE SOPLADO...............................................................................................33 3.4. VÁLVULAS DISTRIBUIDORAS Y DE MANDO.................................................................37 3.5. TUBOS Y RACORES.....................................................................................................................39 3.5.1.ACCIONES ANTE LAS FUGAS......................................................................................................40 3.5.2.ACCIONES RELACIONADAS CON EL DIMENSIONAMIENTO...............................................41 2
  • 3. Eficiencia energética en instalaciones de aire comprimido 3
  • 4. Eficiencia energética en instalaciones de aire comprimido 01. - INTRODUCCIÓN El aire comprimido es una energía ampliamente utilizada en la industria, ya que los sistemas neumáticos son seguros, fiables y versátiles. Hoy en día, la mayoría de las plantas de fabricación necesitan de aire comprimido para mover las herramientas, hacer funcionar a las máquinas y procesos industriales. Son numerosas las ventajas que tiene la neumática con respecto a otras tecnologías, sin embargo, muchas veces se deja de lado un gran inconveniente de los sistemas de aire comprimido, su eficiencia energética. A menudo se mantienen en funcionamiento los sistemas neumáticos a lo largo de todo el día despilfarrando un elevado porcentaje de la energía producida, sin preocuparse demasiado por el coste que esto supone, ya que en la mayoría de los casos existe la creencia de que el aire comprimido es una energía barata. Sin embargo, si se analiza el rendimiento del sistema de aire comprimido en una empresa cualquiera se puede concluir que existe una gran posibilidad de ahorro en costos de generación y operación, así como una reducción de emisiones de gases de efecto invernadero sorprendentes. Un buen diseño y mantenimiento del sistema de aire comprimido sería suficiente para ahorrar miles de euros cada año. En las figuras se puede observar la distribución del consumo global de energía eléctrica en el mundo (figura 1) y en la industria (figura 2): Figura 1.- Consumo global de energía eléctrica Figura 2.- Consumo energía eléctrica en la industria El Aire Comprimido consume del orden de 15 % del total de la energía eléctrica consumida por los accionamientos eléctricos en la industria. Esto significa alrededor de 55 millones de toneladas en emisiones de CO2 por año: 4
  • 5. Eficiencia energética en instalaciones de aire comprimido Figura 3.- Energía consumida por sistemas de aire comprimido. Por otro lado, analizando los costes de producción de aire comprimido se obtiene un desglose similar al que se observa en la figura 4, el coste de energía eléctrica supone más de un 70 % del coste de ciclo de vida. Figura 4.- Distribución de los costos del ciclo de vida de un compresor La generación, distribución y uso de aire comprimido están, la mayoría de las veces, ligadas a pérdidas, que se deben tratar de minimizar para lograr un rendimiento óptimo del sistema. El análisis de un sistema de aire comprimido debe incluir un examen del suministro de aire y de su utilización, así como la interacción entre la generación y la demanda. Se deben inspeccionar todos los componentes del sistema con el objeto de identificar los problemas, tales como, pérdidas y rendimiento bajo causados por fugas, el uso inapropiado del aire comprimido, las demandas puntuales, un diseño deficiente del sistema, etc., por lo tanto, es conveniente analizar la dinámica total del sistema. Las principales estrategias de actuación en las que se apoyan las mejoras destinadas a mejorar la eficiencia energética de las instalaciones de aire comprimido son las que se citan a continuación: 5
  • 6. Eficiencia energética en instalaciones de aire comprimido a) Presión: Si se utiliza una presión mayor que la requerida para llevar a cabo la tarea en cuestión, se está consumiendo más energía que la necesaria. Por lo tanto, es recomendable trabajar siempre a la mínima presión requerida para desarrollar la función asignada en cada caso. b) Sectorización: La sectorización se puede realizar por presión o por periodos de tiempo NO productivos. Para el primer caso se debe incorporar una válvula reductora de presión al comienzo del sector que trabaja a menor presión, y en el segundo caso se incorporaran válvulas de corte (válvulas 2/2), situadas estratégicamente, que permitan aislar las diferentes áreas de máquinas identificadas en función de los tiempos productivos. En este caso se consigue evitar el consumo por fugas en tiempos no productivos. Además, en los casos de sectorización por presión se consigue disminuir el consumo en los periodos productivos, tanto por fugas como el utilizado para desarrollar la actividad. c) Monitorización: La monitorización permite obtener datos sobre los diferentes parámetros relevantes que después de analizarlos permitirán obtener información para tomar decisiones necesarias dirigidas a mejorar la eficiencia energética. d) Calidad de aire comprimido: Un aire comprimido en malas condiciones es fuente de despilfarro, pero también, un aire de una calidad superior a la requerida por la instalación referida supone un consumo energético innecesario, por lo tanto, afecta negativamente a la eficiencia energética del aire comprimido. Las acciones para mejorar la eficiencia energética de los sistemas neumáticos se pueden agrupar en los siguientes dos grupos: • Fase de Producción, Distribución y Preparación de aire comprimido o Fugas o Presión del aire en el sistema o Pérdidas de presión o Temperatura del aire de entrada o Ajustar la producción a la demanda 6
  • 7. Eficiencia energética en instalaciones de aire comprimido o Recuperación del calor generado en el compresor o Control de los compresores o Fase de Utilización del aire comprimido o Fugas o Usos indebidos o Presión en los actuadores de las máquinas o Accionamientos neumáticos:  Soplados  Vacío  Cilindros  Actuadores de giro  Motores  Pinzas o Tuberías de conexionado entre válvulas y actuadores o Válvulas o Consumo en periodos improductivos En los apartados siguientes se analizaran estas acciones y se describen los factores a considerar en la optimización de la eficiencia de una red de aire comprimido y se proponen acciones de mejora concretas para cada una de las fases. 7
  • 8. Eficiencia energética en instalaciones de aire comprimido 8
  • 9. Eficiencia energética en instalaciones de aire comprimido 02 . - SISTEMA DE PRODUCCIÓN, DISTRIBUCIÓN Y PREPARACIÓN DE AIRE COMPRIMIDO Depósito En la siguiente figura se muestra una instalación completa de producción de aire comprimido, donde se identifican los equipos más comunes necesarios. Figura 5.- Componentes de una sala producción de aire comprimido 2..1 FACTORES A CONSIDERAR EN LA SALA DE PRODUCCIÓN • Selección del compresor • Regulación de compresores • Reducción de la temperatura de entrada del aire comprimido • Ajuste de la presión de salida del compresor • Mantenimiento del compresor • Definición de la calidad del aire comprimido • Recuperación del calor generado en el compresor 9
  • 10. Eficiencia energética en instalaciones de aire comprimido 1.1.. COMPRESOR La optimización y mejora del funcionamiento del compresor es un factor importante cuando se trata de mejorar la eficiencia del sistema de aire comprimido ya que, tal y como se puede observar en la figura 6, una parte muy considerable de la energía consumida por el compresor es transformada en calor. Figura 6.- Consumo de energía de un compresor 1.1.1. SELECCIÓN DEL TIPO DE COMPRESOR Es conveniente seleccionar el tipo de compresor adecuado a la aplicación que corresponde a instalación que se está diseñando. A continuación se presentan unas reglas generales de selección. • Compresor de pistón: son apropiados para presiones altas (13 bar o superiores) y buenas calidades de aire, son los más eficientes para pequeñas aplicaciones. • Compresores de tornillo: Requieren una inversión inicial (compra + instalación) relativamente pequeña. Su eficiencia baja rápidamente cuando funcionan a carga parcial. • Compresores de paletas: Sólo son apropiadas para caudales muy pequeños. Su eficiencia es similar a los compresores de tornillo. • Compresor centrífugo: Requieren una inversión relativamente alta, aunque son fáciles de instalar. Son eficientes para grandes caudales y cuando funcionan en un régimen superior al 60 % de su carga nominal. 10
  • 11. Eficiencia energética en instalaciones de aire comprimido Tabla 1. Eficiencia de los diferentes tipos de compresores Tipo de compresor Eficiencia De pistones 7,8-8,5 kW/m3/min De tornillo 6,4-7,8 kW/m3/min Centrífugo 5,8-7 kW/m3/min 1.1.2. SISTEMA DE REGULACIÓN DE COMPRESORES Los compresores en muchos casos trabajan la mayor parte del tiempo en un régimen por debajo de su máxima carga. Un compresor que opera parcial o totalmente descargado durante un tiempo apreciable, consume un porcentaje elevado de su potencia a plena carga, debido al bajo factor de potencia y la reducción de la eficiencia del motor. Es importante adecuar la producción de aire comprimido a la demanda. Para ello, en los casos en los que hay fluctuaciones importantes en la demanda, se combinan varios compresores, unos son controlados con un sistema todo-nada de forma que el compresor trabaja a plena carga o está parado, y otro se controla mediante un variador mediante un variador de velocidad. • Regulación Todo-Nada: Cuando el compresor funciona en vacío (sin comprimir aire) el motor sigue funcionando, por lo tanto, hay un consumo significativo de energía. • Regulación modulante: Este método es efectivo para el control de compresores de tornillo siempre que se funcione por encima del 70 % de su carga nominal. • Velocidad variable: Normalmente se utiliza en combinación con uno o varios compresores a velocidad constante que son los que aportan un caudal base al sistema, utilizando el de velocidad variable para compensar las variaciones en la demanda. Este es el sistema más eficiente cuando la demanda es variable. Figura 7.- Comparación de la eficiencia entre los diferentes tipos de regulación de un compresor. 1.1.1. MANTENIMIENTO DEL COMPRESOR Es importante desde el punto de vista de la eficiencia llevar a cabo un mantenimiento sistemático al compresor en el que se debe de prestar especial atención a: 11
  • 12. Eficiencia energética en instalaciones de aire comprimido • Sistema de lubricación. • Válvulas y/o mecanismo interno. • Sistema de refrigeración. • Filtros. 1.1.2. PRESIÓN DE ENTRADA DEL AIRE El aire de entrada al compresor debe de ser filtrado para prevenir deteriorar o dañar, prematuramente, las partes móviles. Por lo tanto, es importante que el filtro de entrada se mantenga limpio con el objeto de evitar caídas de presión que podrían añadirse al trabajo del compresor. 1.1.3. PRESIÓN DE OPERACIÓN Una presión alta de aire a la salida del compresor, significa un gran consumo de energía. Es por ello importante que los compresores estén operando a la mínima presión necesaria para satisfacer la demanda de la instalación neumática. En la siguiente tabla se muestra, a modo de ejemplo, la reducción del consumo de energía en función de la presión de salida. Figura 8.- Incremento del consumo de energía en función de la presión de salida. 12
  • 13. Eficiencia energética en instalaciones de aire comprimido 1.1.4. TEMPERATURA DEL AIRE A LA ENTRADA La energía necesaria para comprimir aire fresco es mucho menor que para comprimir aire más templado. Reducir la temperatura en la entrada de aire del compresor trasladando la toma de aire al exterior del local y dirigiéndolo hacia una zona sombreada puede reducir la energía consumida significativamente. Tabla 2.- Reducción de la energía consumida con la reducción de la temperatura de entrada del aire Reducción de la temperatura del aire a la entrada del compresor Potencia en kW 3 ºC 6 ºC 10 ºC kWh/año kWh/año kWh/año 4 80 160 264 11 220 440 725 15 300 600 990 30 600 1200 1980 55 1100 2200 3625 75 1500 3000 4950 110 2200 4400 7260 1.1.5. RECUPERACIÓN DEL CALOR GENERADO EN LA COMPRESIÓN En un compresor industrial hasta un 80-93 % de la energía eléctrica consumida se transforma en calor. En muchos casos, un sistema de recuperación adecuado, permite recuperar entre el 50 y 90 % de esta energía térmica en forma de agua caliente a unos 90 ºC o grandes caudales de aire caliente con una temperatura relativamente baja, pudiéndose utilizar este como calefacción directa de edificios o intercambiadores de calor en baterías de precalentamiento. El retorno de la inversión en recuperación de energía está habitualmente entre 1-3 años. Figura 9.- Ejemplo de recuperación del calor generado en un compresor 13
  • 14. Eficiencia energética en instalaciones de aire comprimido 2..2 FACTORES A CONSIDERAR EN LA PREPARACIÓN DE AIRE COMPRIMIDO La calidad del aire comprimido debe de adecuarse a cada proceso productivo. Una calidad de aire excesiva es un despilfarro. En este apartado es necesario tener en cuenta principalmente los filtros de aire y las válvulas de regulación de presión o en su conjunto la unidad de mantenimiento o grupo FRL. 1.1. SECADOR En todos los sistemas de aire comprimido existirá un secador con el objeto de condensar y eliminar parte del vapor de agua del aire. Secar el aire a niveles superiores a los requeridos por la aplicación en la que vaya a ser utilizado supone un despilfarro de energía y también acarreara mayores costos de mantenimiento. Un buen secado del aire comprimido reduce la condensación en las tuberías y consecuentemente reducirá la corrosión 1.2. VÁLVULAS DE PURGA Para expulsar el vapor de agua condensado en el secador se utilizan válvulas de purga que junto con el líquido expulsan aire comprimido. Cuanto más tiempo se mantienen abiertas estas válvulas más aire comprimido se despilfarra. Con el objeto de disminuir el consumo de aire en estos puntos, es conveniente reemplazar las válvulas manuales o con control por intervalos fijos por válvulas de purga con sensor de nivel. 1.3. FILTROS Hay que revisar y cambiar los filtros cuando sea necesario. Filtros sucios hacen que la pérdida de presión aumente y consecuentemente aumentará la potencia consumida, ya que para poder operar con la maquinaria habrá que aumentar la presión en el punto de producción. El filtro debe de ser dimensionado en función del caudal que vaya a circular por él, el caudal máximo. Se aconseja utilizar filtros con sistema de colmatación, por ejemplo, manómetros diferenciales. 14
  • 15. Eficiencia energética en instalaciones de aire comprimido 1.4. SEPARADOR DE ACEITE En compresores refrigerados y lubricados el aceite participa en el proceso de compresión y acompaña al aire comprimido a la salida, luego hay que instalar un filtro separador de aceite, para lograr eliminar el contenido de aceite al máximo. Estos filtros se deben comprobar con regularidad y sustituirlos a intervalos adecuados, ya que un filtro sucio implicaría un mayor consumo de energía, mayor presión, para hacer circular al aire a través del mismo. 2..3 FACTORES A CONSIDERAR EN LA RED DE DISTRIBUCIÓN La pérdida de presión en los conductos es una de las principales causas de ineficiencia en los sistemas de aire comprimido. Esta pérdida de presión es producida, bien por fugas y también por el flujo del aire a través de las tuberías y/o componentes del sistema de distribución. La pérdida de presión no se puede eliminar, pero si conviene tomar medidas para intentar minimizar las pérdidas. Figura 10.- Ejemplo de una red de distribución. 15
  • 16. Eficiencia energética en instalaciones de aire comprimido 1.1. REDUCIR LA CAÍDA DE PRESIÓN EN LA RED DE DISTRIBUCIÓN En una red de distribución de aire comprimido bien diseñado la caída de presión entre el compresor y el punto de consumo más lejano debería de ser inferior al 10 % de la presión de salida del compresor. Para intentar mantener la caída de presión en valores aceptables es importante tener en consideración los siguientes aspectos: • Reducir el número de codos, bifurcaciones y válvulas al mínimo. • Asegurar que las uniones entre tuberías permitan un flujo suave, con el objeto de reducir las turbulencias. • Dimensionar las tuberías basándose en el caudal punta. • Reducir la distancia entre la sala de producción de aire comprimido y los puntos de consumo de aire al mínimo. 1.2. SELECCIÓN Y DISTRIBUCIÓN DE DEPÓSITOS SECUNDARIOS El depósito almacena aire comprimido, equilibra las pulsaciones del compresor, enfría el aire y recoge la condensación, por lo tanto, se puede decir que ayuda a maximizar la eficiencia de los compresores. En la gran mayoría de las aplicaciones se utiliza un único depósito, instalado en la sala de producción de aire comprimido, sin embargo, en plantas donde en una o varias zonas hay una fuerte demanda de aire durante cortos periodos de tiempo y ésta es muy variable en el tiempo, es recomendable analizar la disposición de depósitos intermedios en los mismos. 1.3. SECTORIZACIÓN POR PRESIÓN Habitualmente se distribuye el aire comprimido desde el compresor hasta todos los puntos de consumo mediante una única red de distribución, sin prestar atención a las presiones utilizadas en las diferentes zonas de trabajo (ver figura 6). En aquellos casos en los que se puedan identificar áreas en las que la presión de trabajo es mucho menor que en otras es recomendable diseñar un anillo de distribución 16
  • 17. Eficiencia energética en instalaciones de aire comprimido alimentado a una presión inferior que el resto de la planta. Con esta medida se consigue directamente un menor consumo de aire por fugas. Figura 11.- Ejemplo de red de distribución con diferentes zonas separadas 1.4. REDUCCIÓN DE FUGAS Las fugas son un problema serio en los sistemas de aire comprimido. Reducir las fugas es un factor clave para mejorar la eficiencia de los sistemas de aire comprimido. En un sistema de aire comprimido se pueden dar fugas en: tuberías, mangueras, conexiones entre tuberías, componentes neumáticos en mal estado, etc. Tabla 3. Cálculo del costo de las fugas de aire comprimido. Diámetro equivalente (mm) Caudal l/s a 7 bar Potencia consumida kW. Consumo año (kWh) 6000 h/año Costo anual € 0.12 €/kWh 0.8 0.20 0.10 600 72 1.0 1.00 0.30 1800 216 1.5 3.10 1.00 6000 720 3.0 11.00 3.50 21000 2520 5.0 26.70 8.30 49800 5976 6.0 45.80 15.00 90000 10800 105.00 37.00 222000 26640 10.0 Las principales acciones para la reducción de fugas son: 17
  • 18. Eficiencia energética en instalaciones de aire comprimido • Inspección y mantenimiento sistemático en las tuberías de la red de distribución. • Aislamiento de las áreas de trabajo no productivas en periodos de tiempo prolongado. • Implementar una sistemática de identificación de fugas entre los trabajadores. 18
  • 19. Eficiencia energética en instalaciones de aire comprimido 03. - UTILIZACIÓN DE AIRE COMPRIMIDO 3.1. ACTUADORES NEUMÁTICOS Son innumerables las aplicaciones en las que participan los actuadores neumáticos. Por ello debemos prestar especial cuidado en hacer un uso racional y eficiente de los mismos. En la siguiente figura podemos observar un ejemplo con un circuito neumático compuesto por 3 cilindros. Figura 12.- Ejemplo de circuito neumático con 3 actuadores de tipo cilindro 3.1.1. ACCIONES A REALIZAR SOBRE LA PRESIÓN Es habitual que los actuadores neumáticos, y los circuitos que los alimentan se encuentren sometidos a presiones más elevadas de lo que deberían. Este hecho no deseable se provoca al realizar el ajuste del regulador de presión de la unidad de tratamiento de aire previa al circuito o máquina, y se hace para: • Compensar las posibles fugas que puedan existir en los circuitos neumáticos que suministran aire a los actuadores, y en los propios actuadores. • Compensar las pérdidas de carga existentes en los circuitos neumáticos. Con este panorama lo que ocurre es que el consumo total de aire es superior al que realmente los actuadores y la aplicación demandan. En este sentido, las acciones que se proponen son: a) Hacer trabajar a ese actuador a la presión justa y necesaria para accionar la carga para la que ha sido diseñado, dado que un valor de presión superior, provocará un mayor consumo de aire para realizar una misma operación. Ajustaremos adecuadamente los reguladores de presión para producir la fuerza o el par requerido según el tipo de actuador de que se trate, cilindros, pinzas, actuadores de giro o motores neumáticos. 19
  • 20. Eficiencia energética en instalaciones de aire comprimido b) En muchas aplicaciones la acción que se ejerce sobre una determinada carga, se realiza únicamente en uno de los dos sentidos de movimiento del actuador. En estos casos, y de cara a la eficiencia energética, se debería hacer trabajar al actuador, en el movimiento donde no ejerce acción productiva sobre la carga, a una presión menor a la del movimiento que proporciona el trabajo efectivo, y así reduciremos el consumo de aire. Para ello, existen soluciones como la de la Fig. 13, utilizando una válvula reguladora de presión y otra de caudal. Como se observa en la figura, la válvula de presión permite reducir la fuerza del actuador en el movimiento de retroceso, y la válvula de caudal permite una alimentación y escape rápidos, con lo que se reduce el retardo de tiempo en la carrera de retroceso. Además, esta configuración previene al conjunto de movimientos bruscos en ambas carreras. Este concepto no sólo se puede aplicar a los cilindros y pinzas, sino también a los actuadores de giro y motores cuando se realiza par efectivo sólo en un sentido de rotación, y no en el contrario. Figura 13.- Solución para trabajar con dobles presiones en un actuador c) La utilización de cilindros de doble fuerza también permite conseguir ahorro energético, como se puede observar en la siguiente figura. 20
  • 21. Eficiencia energética en instalaciones de aire comprimido Figura 14.- Detalle de un cilindro de doble fuerza Con este tipo de actuadores, se duplica el área presurizada en la carrera de extensión, por tanto se realiza el doble de fuerza que la que ejercería un cilindro convencional de la misma sección. Por tanto, podríamos reducir la presión de trabajo para obtener el mismo esfuerzo, con el consiguiente ahorro de aire, y por tanto de energía. 3.1.2. ACCIONES A REALIZAR SOBRE LAS FUGAS Todos los actuadores neumáticos son susceptibles de tener fugas. Éstas normalmente tendrán lugar en las conexiones de las tuberías con aquéllos, y en las juntas de estanqueidad internas. Figura 15.- Corte de un cilindro de doble efecto de amortiguación regulable Las acciones en lo que a fugas se refiere, tenderán a garantizar que las juntas de estanqueidad de los actuadores se encuentren siempre en perfectas condiciones. Esto se puede conseguir utilizando materiales de alta calidad y realizando una sistemática de mantenimiento adecuada. 21
  • 22. Eficiencia energética en instalaciones de aire comprimido a) Si nos referimos a los cilindros (ver Fig. 15), los elementos más sensibles a las fugas son las juntas de vástago y de pistón. Es importante considerar los esfuerzos mecánicos no axiales, a los que puede estar sometido un actuador neumático, ya que estos provocarían flexión y/o pandeo que se traduciría en un desgaste prematuro y consecuentemente la aparición de fugas en el cilindro neumático. b) En los actuadores de giro del tipo piñón-cremallera las zonas más sensibles a fugas serán las juntas dinámicas de émbolo (elemento 21 de la Fig. 16) y las juntas estáticas de sellado (elementos 19 y 20). c) En los actuadores de giro de tipo paleta (ver Fig. 17), la estanqueidad entre las dos cámaras la proporciona la propia paleta. Es importante que ésta se encuentre en perfecto estado y no sufra un desgaste excesivo, de lo contrario las fugas entre cámaras reducirán el rendimiento del actuador, y generarán un consumo extra de aire. Además, existen otros elementos dentro del actuador de giro que debemos considerar, como son las juntas tóricas (elemento 9) y las juntas tope (elemento 10). Figura 16.- Corte de un actuador de giro del tipo piñón-cremallera 22
  • 23. Eficiencia energética en instalaciones de aire comprimido Figura 17.- Corte de un actuador de giro del tipo paleta simple d) Las pinzas neumáticas son actuadores dotados también de numerosas juntas, como ilustra la Fig. 18. En especial en las juntas 19 y 21 de la figura, podrían generarse futuras fugas. Figura 18.- Corte de una pinza neumática con apertura angular e) En cuanto a los motores de paletas (Fig. 19), se podrán provocar fugas por el desgaste de las mismas al rozar con el cilindro estatórico, provocando una pérdida de estanqueidad entre las cámaras, y por lo tanto reduciendo el rendimiento del motor. Vigilaremos el desgaste de las paletas y el de los muelles que las empujan hacia el estator. 23
  • 24. Eficiencia energética en instalaciones de aire comprimido Figura 19.- Corte de un motor neumático de paletas f) Si tenemos motores neumáticos de pistones radiales (Fig. 20) las fugas podrán tener lugar en las juntas dinámicas de los pistones. Figura 20.- Corte de un motor neumático de pistones radiales 3.1.3. ACCIONES RELACIONADAS CON SU DIMENSIONAMIENTO A la hora de dimensionar los actuadores neumáticos se debe considerar la aplicación que se desee realizar con ellos. Esa aplicación se va a materializar finalmente en una fuerza o en un par, según el tipo de actuador, considerando previamente las correspondientes cargas y los rendimientos internos de los actuadores debidos a rozamientos, que variarán también según el tipo de actuador. Por lo tanto, primero se elige el valor de presión más eficiente (a través de una visión de conjunto de la máquina o proceso), y de ahí se determinan las dimensiones requeridas de los actuadores para realizar la función. 24
  • 25. Eficiencia energética en instalaciones de aire comprimido 25
  • 26. Eficiencia energética en instalaciones de aire comprimido 3.2. COMPONENTES PARA VACÍO La técnica de vacío encuentra aplicación en muy diversos campos de la automatización, especialmente para sistemas de manipulación en sectores tales como, fabricación de piezas de chapa, automóvil, madera, embalaje, plástico, CD/DVD, electrónica, etc. Para dar respuesta a las exigencias de las diferentes aplicaciones un sistema de vacío requiere utilizar diversos componentes tal como se puede apreciar en la figura 21. Figura 21.- Aplicación de un sistema eyector. Las acciones para mejorar la eficiencia energética de sistemas neumáticos para manipulación mediante vacío son las siguientes: • Eyectores. • Dimensionamiento de las ventosas. • Nivel de vacío en el interior de las ventosas. • Válvula de soplado para expulsión. • Fugas en la parte de vacío. • Tuberías entre eyector y ventosas. • Filtro de succión. A continuación se describe las acciones a realizar para obtener un sistema de vacío energéticamente eficiente. 26
  • 27. Eficiencia energética en instalaciones de aire comprimido 3.2.1. EYECTORES Los eyectores generan vacío según el principio de venturi. El aire comprimido entra a través del orificio de entrada y fluye por la tobera. Inmediatamente después de la tobera difusora se produce una depresión (vacío) que hace que el aire sea aspirado a través de la conexión de vacío. El aire aspirado y el comprimido salen por la vía de escape (ESC) a través del silenciador, ver figura. VAC Figura 22.- Principio de funcionamiento de un eyector básico Tal y como se observa en la figura 21 es conveniente ajustar la presión de alimentación de los eyectores mediante la válvula reductora de presión instalada para tal fin. La presión de alimentación se debe ajustar en función de la presión de vacío que se desee obtener. La presión de vacío que se alcanza va aumentando a medida que aumenta la presión de alimentación, hasta que aproximadamente a una presión de 0,5 MPa alcanza su valor máximo, por lo tanto, trabajar a mayor presión de alimentación no consigue mayor vacío, pero sí aumenta el consumo de aire (ver figura 23). Figura 23.- Características de un eyector 27
  • 28. Eficiencia energética en instalaciones de aire comprimido El uso de un eyector de 3 etapas permite reducir el consumo de aire incluso bajo las mismas condiciones de caudal de succión y presión de vacío proporcionadas por un eyector convencional. En la figura 23 se muestra el principio de funcionamiento de un eyector multi-etapa. En la figura 24 se muestran a modo de ejemplo los datos comparativos entre un eyector de una etapa con una de tres etapas. Figura 24.- Eyector de tres etapas Figura 25.- Comparativa entre eyector convencional con eyector multietapa La utilización de eyectores de vacío con válvula antirretorno reduce el tiempo de generación de vacío, ya que con eyectores convencionales es necesario el suministro continuo de aire para generar vació durante todo el tiempo que dura la manipulación del objeto. Es recomendable, tal y como se aprecia en la figura 26, utilizar un vacuostato para el control del nivel de vacío. 28
  • 29. Eficiencia energética en instalaciones de aire comprimido Figura 26.- Ejemplo de trabajo con eyector con antirretorno 3.2.2. DIMENSIONAMIENTO DE VENTOSAS La ventosa es el elemento final utilizado en la manipulación por vacío. Constituye un sistema eficaz, simple y económico para el movimiento del material más variado y son por tanto una buena alternativa a otros métodos de manipulación. La ventosa puede elevar, trasladar y coger objetos de peso variable, de entre pocos gramos a decenas de Kg. Es importante seleccionar el diámetro de la ventosa en función de la carga a manipular. Su selección debe de realizarse según los parámetros siguientes: • La fuerza a elevar • La posición del objeto (horizontal o vertical) • La forma geométrica. • La velocidad lineal o angular de traslación y el frenado Figura 27.- Ejemplo de ventosa 29
  • 30. Eficiencia energética en instalaciones de aire comprimido La fuerza de sujeción teórica que realiza una ventosa, viene determinada por la diferencia de presión entre la atmósfera y el interior de la ventosa, multiplicada por el área efectiva de la misma. Se recomienda la utilización de ventosas con válvula antirretorno. La válvula sólo se abre cuando el extremo de la ventosa entra en contacto con la pieza de trabajo, generándose el vacío. Si se utilizan varias ventosas en el conexionado de derivación, el nivel de vacío no se reduce ni siquiera en el caso de un fallo de vacío o de un cambio en el tamaño de la pieza de trabajo. Figura 28.- Ejemplo de trabajo con ventosas con antirretorno 3.2.3. NIVEL DE VACÍO EN EL INTERIOR DE LAS VENTOSAS En aplicaciones de vacío, tal y como ocurre en una gran mayoría de aplicaciones de sistemas neumáticos, derivado de una baja sensibilidad hacia el coste del aire comprimido, se mantiene la generación de vacío de forma continua desde que se inicia la manipulación hasta soltar el objeto manipulado, lo que provoca un despilfarro importante de aire comprimido. Para reducir el consumo de aire comprimido se recomienda, tal y como se puede observar en la figura 1, instalar un vacuostato y realizar el control de la válvula de alimentación orientado a mantener el nivel de vacío en el rango establecido para la aplicación, cerrando y abriendo la válvula en función de la señal del vacuostato. 3.2.4. VÁLVULA DE SOPLADO PARA EXPULSIÓN En numerosas aplicaciones de sistemas de manipulación por vacío se utilizan válvulas de soplado para expulsar la pieza manipulada con la rapidez requerida por el proceso, es importante en estos casos prestar especial atención a los siguientes puntos: 30
  • 31. Eficiencia energética en instalaciones de aire comprimido • Controlar el tiempo que se mantienen la válvula abierta, ya que un tiempo excesivo aumenta el despilfarro de aire comprimido sin por ello, conseguir un mejor funcionamiento de la aplicación. • Añadir una válvula reguladora de caudal entre la válvula y la ventosa. • Verificar que la válvula no tenga fugas, ya que esto afectará en el tiempo requerido para lograr el nivel de vacío definido en el sistema. 3.2.5. FUGAS EN LA PARTE DE VACÍO La manipulación de una pieza de trabajo bajo condiciones de fugas requiere un gran caudal de succión, para lo que se necesita una boquilla de gran tamaño y un consumo incrementado de aire. En los casos en los que las fugas son debidas a la porosidad del material a manipular éstas no se pueden evitar, pero en numerosos casos las fugas son provocadas por una utilización indebida de los componentes de vacío. Para evitar las fugas en la parte de vacío es muy importante tomar las siguientes precauciones: • Vigilar y mantener las ventosas en condiciones óptimas. • Evitar golpes bruscos en las ventosas a la hora de ir a coger o dejar la pieza. Se tiene que efectuar un mantenimiento regular. • Manipular objetos exentos de suciedades que puedan modificar la superficie de apoyo. 3.2.6. TUBERÍAS ENTRE EYECTOR Y VENTOSAS A la hora de diseñar el sistema de vacío es importante reducir al máximo la longitud de la tubería entre el eyector y las ventosas, ya que estos aumentan el volumen de aire a evacuar en cada manipulación. Para el cálculo de la sección efectiva de paso en las tuberías de conducción hay que tener en cuenta los factores siguientes: • Resistencia al flujo (pérdida de carga). • Reducción al mínimo de los volúmenes a evacuar. 31
  • 32. Eficiencia energética en instalaciones de aire comprimido Evidentemente, estos dos factores presentan una cierta desavenencia puesto que una conducción amplia proporciona menor resistencia al flujo, pero sin embargo aumentan el volumen a evacuar. En resumen, hay que diseñar las conducciones con la sección efectiva adecuada para obtener resistencias al flujo admisibles. 3.2.7. FILTRO DE SUCCIÓN En todo sistema de filtración es muy importante dimensionar el filtro teniendo en cuenta el caudal de succión y la pérdida de presión generada y realizar un mantenimiento sistemático del mismo, cuidando el nivel de colmataje de los filtros, ya que en la medida que estos van reteniendo partículas de suciedad la caída de presión aumenta. En la mayoría de los casos se intenta solucionar el problema de la pérdida de presión aumentando el nivel de vacío lo que conlleva un mayor gasto de aire comprimido para conseguir el nivel requerido. En la figura 29 se puede observar la influencia del caudal de succión en la pérdida de presión para diferentes tamaños de filtro. Figura 29.- Influencia caudal de succión pérdida de presión en el filtro. 32
  • 33. Eficiencia energética en instalaciones de aire comprimido 3.3. APLICACIONES DE SOPLADO El soplado con aire comprimido es muy común en la industria. Con frecuencia no se concede gran importancia a los tubos que se instalan cuando existe la necesidad de soplado. Una parte muy importante, hasta un 70 %, de aire comprimido en una empresa se utiliza en aplicaciones de soplado. El soplado con aire comprimido tiene muchas aplicaciones importantes, como: • Limpieza • Secado • Refrigeración • Transporte • Clasificación Por regla general la instalación no va precedida de un dimensionamiento técnico y, puesto que los conocimientos del soplado con aire comprimido suelen ser muy limitados, la eficacia es deficiente. Es común doblar y conformar el tubo a escape libre para obtener el ángulo y cono de soplado que se desea No obstante, el soplado con tubo a escape libre suele funcionar, aunque con problemas conocidos como: • Alta turbulencia que genera ruido perjudicial • Gran consumo energético; es decir, despilfarro de un costoso aire comprimido • Riesgo sanitario porque, por ejemplo, el aire comprimido puede penetrar en la circulación sanguínea del operario El principio básico consiste en crear una corriente de aire uniforme, regular y recta (corriente de aire laminar) para sustituir a la corriente de aire turbulenta y ruidosa que producen los tubos a escape libre. Todas las boquillas deben de combinar una elevada potencia de soplado, un nivel sonoro bajo y un consumo de energía bajo. Por regla general, sustituyendo las instalaciones de tubo a escape libre por boquillas de soplado eficiente se consigue: 33
  • 34. Eficiencia energética en instalaciones de aire comprimido • Reducir el nivel sonoro en un 50% • Reducir el consumo de aire en por lo menos un 30% • Cumplir con la normativa en materia de seguridad Las aplicaciones industriales de soplado se pueden clasificar en los siguientes en 2 tipos: • Aplicaciones que requieren una fuerza de impacto (expulsar, clasificar…) • Aplicaciones que necesitan cubrir un área efectiva (secar, limpiar, refrigerar…) En cualquier caso, seleccionando las boquillas adecuadas para cada aplicación, tanto para pistolas como para tuberías de soplado, podemos conseguir ahorros de hasta un 75%. El uso de tubos con soplados a escape libre está totalmente sobredimensionado y supone un enorme derroche de energía. Los factores de diseño a considerar son: • Tiempo (T) • Distancia (L) • Presión de impacto (Pw) • Presión de soplado (P0) • Diámetro de la boquilla Figura 30.- Factores a tener en cuenta en un sistema de soplado 34
  • 35. Eficiencia energética en instalaciones de aire comprimido Figura 31.- Comparación de pérdida de presión entre boquilla de soplado convencional y boquilla de alto rendimiento Figura 32.- Ahorro energético con boquillas de alto rendimiento En la siguiente figura se puede observar la diferencia constructiva entre la boquilla de soplado convencional y la boquilla de alto rendimiento. El diseño de paso lineal para el fluido reduce considerablemente la pérdida de presión, por lo tanto, permite obtener la misma presión de impacto trabajando a presiones de entrada más bajas. 35
  • 36. Eficiencia energética en instalaciones de aire comprimido Figura 33.- Comparación de sistema tradicional con sistema de alto rendimiento 36
  • 37. Eficiencia energética en instalaciones de aire comprimido 3.4. VÁLVULAS DISTRIBUIDORAS Y DE MANDO Aquí únicamente vamos a considerar las fugas. En la siguiente figura, y a modo de ejemplo, se observa la constitución interna de una válvula de paso 3/2 monoestable. Se aprecian dos tipos de juntas o elementos de estanqueidad, el émbolo diferencial y el anillo en “U”. En válvulas de distinto número de vías, posiciones, y pilotajes, únicamente cambiará el número de juntas, siendo idéntica la función que desempeñan. El émbolo diferencial es el que actúa sobre la corredera de la válvula. La junta o anillo en “U”, es el elemento que comunica las diferentes vías, y aísla otras, en función de la posición del pilotaje. Figura 34.- Corte de un distribuidor neumático 3/2 Una vez más, procuraremos usar materiales de gran calidad y realizar un plan de mantenimiento adecuado que garantice que las juntas de las válvulas se encuentren siempre en perfectas condiciones de funcionamiento y estanqueidad. El aspecto más relevante de cara a relacionar el dimensionamiento de una válvula con la eficiencia energética es el de las pérdidas de presión. El caudal que fluye por una válvula guarda relación con la pérdida de carga (pérdida de presión) producida por la misma. La siguiente figura ilustra el método de obtención del caudal nominal de una válvula: 37
  • 38. Eficiencia energética en instalaciones de aire comprimido Figura 35.- Medición del caudal nominal Se denomina caudal nominal a aquél que circula por la válvula cuando la pérdida de carga es de 1 bar y la presión a la entrada es de 6 bar, siendo la temperatura del aire de 293 K (20 °C). Por tanto se debe elegir el tamaño adecuado de la válvula distribuidora, intentando que la pérdida de presión sea pequeña, para evitar la ineficiencia de elevar la presión de entrada de la válvula. 38
  • 39. Eficiencia energética en instalaciones de aire comprimido 3.5. La TUBOS Y RACORES mayor caída de presión de un circuito neumático se suele dar en las mangueras flexibles de conexión, los acoplamientos de manguera, racores etc., por lo que es importante dimensionar adecuadamente estos componentes. También estos son los elementos donde habitualmente hay más riesgo de que haya fugas. Analizamos aquí su influencia. En una instalación donde no se ejerza ningún tipo de actuación ante las fugas, éstas pueden representar entre un 20% y un 30% del consumo total de aire comprimido. Una actuación correcta ante ellas, debería reducirlas hasta un valor del 5% o menor, si bien lo habitual es encontrar instalaciones con un 10% de fugas. Una fuga puntual con un diámetro pequeño (por ejemplo 1mm) en una tubería o racor no representa en sí misma un gran gasto con respecto al que genera el total de la instalación, pero un número elevado de ellas producirá un efecto acumulativo perjudicial desde el punto de vista de la eficiencia energética, y también desde el económico. La realidad nos demuestra que las fugas no se producen de forma casual en un punto, sino que serán numerosas si no ponemos los medios necesarios para eliminarlas o reducirlas adecuadamente. Figura 36.- Fuga en una tubería Las fugas pueden manifestarse en: • Tramos rectos de tuberías o mangueras. • En los elementos de interconexión entre tramos de tuberías o mangueras, como empalmes, manguitos, pasamuros, codos (en todos estos casos, típicamente en las juntas), o en los puntos de soldadura en las tuberías metálicas. • En los racores, en la conexión con la tubería o manguera (junta tórica, anillos bicono o pinzas), o en la conexión al elemento neumático correspondiente, bien sea válvula, actuador, detector neumático, etc., normalmente por un fallo de calidad de los componentes utilizados, o por un deterioro de los mismos. 39
  • 40. Eficiencia energética en instalaciones de aire comprimido Figura 37.- Corte de un racor En la Fig. 37 se aprecian la junta (elemento 5) y la junta tórica (elemento 8), elementos clave de cara a las fugas. 3.5.1. ACCIONES ANTE LAS FUGAS Las acciones deberían ir orientadas hacia: a) Evitar a ser posible, la realización de soldaduras para unir 2 tramos de tuberías metálicas, utilizando preferentemente en su lugar los accesorios específicos de conexión que para tal efecto existen en el mercado, u otro tipo de materiales no metálicos si es posible. b) Definir un programa preventivo de fugas, que conste de identificación (incluyendo marcado), ajuste, reparación y verificación de las mismas, para que estas no se vuelvan a reproducir. En este sentido, sería recomendable realizar un mapa de fugas de la instalación de tuberías en su conjunto, identificando los puntos conflictivos, que por experiencia sabemos que son problemáticos, tales como elementos de interconexión entre tramos de tuberías, o conexiones de estas con herramientas neumáticas móviles, sujetas a desplazamientos constantes. Por ejemplo, en el caso de líneas de tubería flexibles, revisar especialmente el deterioro de las juntas en los 2 extremos de la misma. c) Utilizar mangueras, conectores y racores de buena calidad y en buen estado, revisándolos periódicamente. d) Proteger adecuadamente las tuberías, mangueras y racores, de las condiciones ambientales que cada uno de ellos tengan que sufrir, de la forma que convenga en cada caso. e) En el caso de conducciones flexibles, considerar el uso de líneas en forma de espiral que se recogen, minimizando la probabilidad de fugas. 40
  • 41. Eficiencia energética en instalaciones de aire comprimido 3.5.2. ACCIONES RELACIONADAS CON EL DIMENSIONAMIENTO El diámetro de las tuberías del circuito se diseña en función del coeficiente de carga del cilindro, del volumen de aire a evacuar, del tiempo utilizado en la carrera del cilindro y de la longitud de las tuberías que unen el distribuidor de potencia con el cilindro que gobierna. Un diámetro demasiado pequeño no permitiría conseguir el tiempo de trabajo del cilindro y una tubería sobredimensionada aumentaría el consumo de aire comprimido y no aportaría ninguna ventaja. 41