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
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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:
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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:
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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
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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.
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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:
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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.
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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
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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.
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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
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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:
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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.
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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.
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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:
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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
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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.
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36. Eficiencia energética en instalaciones de aire comprimido
Figura 33.- Comparación de sistema tradicional con sistema de alto rendimiento
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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:
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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.
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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.
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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.
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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.
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