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Ahorros y mejoras en un Sistema de Aire
Comprimido utilizando Velocidad Variable

El presente artículo tiene por finalidad entregar herramientas a los usuarios de sistemas de aire comprimido industrial, en particular para aplicaciones de compresores de tornillo lubricados de velocidad fija, para cuantificar las oportunidades de ahorro en sus sistemas de aire comprimido utilizando la tecnología de velocidad variable.

Las principales fuentes de pérdidas se deben a la forma en que los compresores de tornillo de velocidad fija son controlados. Normalmente, éstos son controlados por el sistema "carga-descarga", que se caracteriza por:

La señal de control es la presión de aire en la red de aire. El sistema de control "entiende" que cuando la presión en el sistema aumenta es porque hay una disminución en la demanda y viceversa.

Para suministrar la cantidad precisa de aire demandada, el compresor opera dentro de su sistema de control con una banda de presión. Por ejemplo, si el compresor tiene una presión de trabajo de 7.5 barg, probablemente la banda de presión estará configurada entre 7.3 y 7.7 barg.

Cuando la presión en la red de aire alcanza los 7.7 barg ("presión de descarga"), el compresor deja de comprimir y entra en descarga o vacío.

Durante el período de descarga, el motor del compresor no se detiene. El compresor libera toda su presión interna, la demanda de la planta es suplida por el acumulador de aire, y el compresor no entrará nuevamente en carga mientras no se alcancen los 7.3 barg ("presión de carga").

Así se asegura que el motor no se detenga, para protegerlo de múltiples partidas. Un motor de inducción no puede partir más de 4 a 5 veces por hora, y los ciclos de carga-descarga son miles en un día.

Durante el período de descarga, el motor sigue funcionando alrededor de 25% de su potencia a plena carga, sin producir aire. Cuando la presión baja a su nivel de carga, el compresor vuelve a comprimir.

Esta forma de control asegura el adecuado control del compresor y su lubricación, y permite entregar al usuario un nivel de presión adecuado a sus necesidades. Sin embargo, genera pérdidas importantes, pues su nivel de consumo energético no es linealmente proporcional con la producción de aire, como se ve en el Gráfico 1.

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Gráfico 1.

Ahora, consideremos un compresor típico de 90 kW nominales, cuyo consumo de potencia es típicamente de 102 kW total medido según la norma ISO 1217 Anexo C; presión de trabajo de 7.0 barg, y banda de presión entre 7.0 y 8.0 barg. Además, este equipo presentará una utilización de 65% y 8.000 horas de operación anual. Para este ejemplo, supondremos un costo del kWh de $60.

Las principales pérdidas se producen por:


1.Períodos en descarga o vacío:

Horas anuales en carga: 8.000 hrs x 65% = 5.200 hrs.

Horas anuales en vacío: 8.000 – 5.200 = 2.800 hrs.

Potencia a plena carga: 102 kW

Potencia en vacío: 24 kW

Consumo de energía en carga anual: 102 kW x 5.200 hrs = 530.400 kWh

Consumo de energía en vacío anual: 24 kW x 2.800 hrs = 67.200 kWh

Costo anual en carga: $ 31.824.000

Costo anual en vacío: $ 4.032.000

Consumo de energía total anual: 597.600 kWh

Costo anual de energía: $ 35.856.000


2.Sobrepresión:

Al comprimir hasta 8.0 barg para poder mantener el sistema de control del compresor, estamos gastando más energía de la necesaria. Por cada bar adicional, se consume un 10% más de energía.

Considerando las condiciones del comienzo, consumiremos 10.2 kW durante 5.200 hrs. en carga, lo que genera un consumo adicional de energía de 53.040 kWh anuales, con un costo de $ 3.182.400 adicionales.


3.Energía consumida durante transición de carga a descarga:

Cuando el compresor entra en descarga, o vacío, la despresurización del compresor no es instantánea, como se ve en el Gráfico 2.

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Gráfico 2.

Si el sistema cuenta con un acumulador de 3 m³, se puede calcular que se registrarán 604.352 ciclos carga-descarga en el año, cada uno de 0,222 min de duración. El proceso de despresurización en el tiempo se puede aproximar a un triángulo para efectos de estimación. La energía consumida es la que señala la fórmula indicada arriba: 109.200 kWh anuales, y su costo anual es de $ 6.552.000.

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4.Venteos durante transiciones:

Durante las mismas transiciones del punto 3, el compresor debe ventear el aire interno. Este es un aire en el que hemos consumido energía para comprimirlo y ahora debemos botarlo a la atmósfera, lo que corresponde a las mismas 604.352 veces anuales, con un volumen aproximado de 0.89 m³ libres por venteo. Luego, anualmente estaremos botando a la atmósfera 429.549 m³ libres, que es lo mismo que tener un compresor de 5.82 kW arrojando aire a la atmósfera permanentemente durante 8.000 hrs., es decir, 46.534 kWh, equivalentes a $2.792.069 anuales.

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Gráfico 3.


¿Cómo aprovechar estas oportunidades de ahorro?

Hasta ahora la mejor tecnología existente para el máximo aprovechamiento de estas oportunidades son los compresores con control de velocidad. El principio básico de estos equipos es la variación de la velocidad del motor principal según la demanda de aire, tomando siempre como señal la presión en la red de aire. El comportamiento de estos equipos es prácticamente lineal entre la producción de aire y la potencia consumida, como se muestra en el Gráfico 3.

Esto se debe a lo siguiente:

No hay períodos en vacío.

No hay una banda de presiones.

Al no haber períodos en vacío, no hay energía consumida en transiciones.

Tampoco hay venteos durante transiciones.


Conclusión

Utilizar compresores de velocidad variable no significa desechar el uso de compresores de velocidad fija, dado que en un sistema el usuario puede contar con un compresor de velocidad fija para absorber el consumo piso de su planta, permitiendo que éste opere en su punto de mejor eficiencia (a plena carga permanentemente), y con un compresor de velocidad variable para absorber las fluctuaciones de la demanda.

Por Alejandro Gnecco, Consultor Experto USM S.A.
cguinez@usmsa.cl
Artículo gentileza de Comité Chileno de CIGRE.
Marzo 2010
.......
Comentarios acerca de este artículo
eloy gutierrez f. CARGILL DE MEXICO (18/08/2015)
exelente, muchas gracias,informacion de primera.
francisco particular (30/04/2015)
Buenos dias, comentas "Si el sistema cuenta con un acumulador de 3 m³, se puede calcular que se registrarán 604.352 ciclos carga-descarga en el año, cada uno de 0,222 min de duración" como lo calculas?
Gracias
Pablo C.HernandezV. Visteon Car Plactic (26/01/2015)
Muy buena informacion. me sirve mucho. ya que estoy trabajando en el proyecto de reemplazo de compresores de tornllo a velocidad variable.
JORGE LOPEZ Emcovele S. A. (12/09/2014)
Muy interesante articulo,puesto que toma en cuenta las perdidas por venteo., Acertada publicacion
FELIPE AVILA GRANADOS CAL DE APASCO S.A (03/09/2013)
Excelente sin desperdicio con estas publicaciones GOOGLE obtiene prestigio
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