Eficiencia Energetica Aire Comprimido

EFICIENCIA ENERGÉTICA EN INSTALACIONES DEAIRE COMPRIMIDOAIRE COMPRIMIDO

Fecha 10/Noviembre/2011

Preparado por:Julen KondeLuis RifónPedro Urteaga

Eficiencia Energética en Instalaciones de Aire Comp rimido

GUIÓN

1. Introducción2. Conceptos de neumática

a) Elementos básicos de la sala de compresores

b) Elementos básicos de una aplicación neumática

c) Aplicaciones industriales de la neumática.

3. Ahorro energético en instalaciones de aire comprimidoa) Costes del aire comprimido

b) Estrategias para el ahorro de energía en neumática

c) Pasos a seguir para la optimización energética de una instalación de aire comprimido

4. Pausa5. Descripción de la maqueta6. Practicas

a) Presión

b) Fugas

c) Sectorización

d) Monitorización

7. Conclusiones y cierre

INTRODUCCIÓN


¿Por qué usar aire comprimido?Las ventajas propias del aire comprimido son:

� Es abundante (disponible de manera ilimitada).

� No implica riesgos graves ni peligro de accidentes.

� Fácilmente transportable aun en distancias largas.

� El escape de aire no es tóxico ni explosivo.

� Tiene gran capacidad de regulación y control.

1. INTRODUCCIÓN

� No presenta riesgos de chispas ni cargas electrostáticas.

� Para transmisión de pequeñas energías tiene un costo no muy superior a los de

otros sistemas de energía.

Las desventajas del aire comprimido frente a otras fuente de energía, son:

� Necesita de preparación antes de su utilización.

� No permite velocidades de los elementos de trabajo regulares y constantes.

� Los esfuerzos de trabajo son limitados (de 20 a 30000 N).

� Es ruidoso, debido a los escapes de aire después de su utilización.

� Es costoso. Es una energía cara, que en cierto punto es compensada por el buen

rendimiento y la facilidad de implantación.


1. INTRODUCCIÓN

Uso del aire comprimido en la industria

El aire comprimido tiene múltiples aplicaciones en la industria:

• Aire como energía , donde el aire comprimido se utiliza como medio de

transferencia de energía. Las aplicaciones típicas en esta tipo son: accionar

herramientas neumáticas, cilindros, válvulas neumáticas, instrumentación en general.herramientas neumáticas, cilindros, válvulas neumáticas, instrumentación en general.

• Aire como medio de refrigerar o limpiar , donde el aire se expansiona y proyecta

sobre piezas en proceso. Se usa cuando las piezas están en movimiento en procesos

automáticos y no se pueden usar otros métodos mas eficientes.

• Aire como elemento activo , donde el aire comprimido tiene un papel activo en el

proceso y entra en contacto con el medio en proceso. Algunas Aplicaciones de este

tipo son los procesos de aireación como en el tratamiento de aguas residuales,

procesos de fermentación, procesos químicos y un sin fin de aplicaciones en general.


1. INTRODUCCIÓN

Propiedades de los gases

• El estado de un gas se define por los siguientes parámetros:1. Presión2. Temperatura3. Volumen

• Estos tres parámetros se relacionan por las leyes de:a) Gay- Lussac: Presión constantea) Gay- Lussac: Presión constanteb) Charles: Volumen constantec) Boyle-Mariotte: Temperatura constante

El volumen de un gas (aire) varia con la presión y la temperatura, por este motivo simedimos el caudal del aire que circula por una tubería varia según varían algunos deestos dos parámetros.

Para expresar el caudal en unas condiciones que sean un estándar para todos, lanorma ISO (ISO 1217, Anexo C) ha fijado el Concepto (Aire Libre Efectivo) o F.A.D.(ingles) que representa el volumen que ocupa el aire comprimido si se expansiona ala Condiciones de Referencia Estándar: que son

� Presión = 1,013 bar� Temperatura = 20ºC� Humedad relativa = 0%


1. INTRODUCCIÓN

Calidad de Aire Comprimido


1. INTRODUCCIÓN

Consumo energético global

CONSUMO DE ENERGIA EN LA INDUSTRIA

70% ACCIONAMIENTOS

CONSUMO DE ENERGIA EN EL MUNDO

70% ACCIONAMIENTOS ELECTRICOS40% INDUSTRIA

POTENCIAL DE AHORRO DE ENERGIA CONSUMIDA EN LA INDUSTRIA

POTENCIAL DE AHORRO 30 - 50%


Algunos datos:• Consumo total de energía eléctrica en la UE 3.064 T Wh.• De los cuales se consumen en la industria 950 TWh.• De los cuales se consumen en motores eléctricos 610 TWh.

• Potencial de ahorro energético: 180 TWh.

1. INTRODUCCIÓN

6 % del total de la energíaConsumida en la UE

80 millones de toneladas de CO260 centrales térmicas


Consumo energético en la producción de Aire Comprim ido

• El Aire Comprimido consume del orden de 15 % del total de la energía eléctrica

consumida por los accionamientos en la industria, sobre 80 TWh por año en

Europa

1. INTRODUCCIÓN

Compresores Compresores

Resto Resto

• Esto significa sobre 55 millones de toneladas de CO2 por año y unos 7200 M€.

CONCEPTOS BASICOS BASICOS

DE NEUMÁTICA


2. CONCEPTOS BÁSICOS DE NEUMÁTICA

¿Dónde debemos actuar?

¿Qué factores hay que considerar?


Producción de Aire Comprimido


COMPRESOR

COMPRESOR

DEPOSITO

SECADOR

PR

E F

ILT

RO

PO

ST

FIL

TR

O



Alimentación de aire comprimido en máquina.



Elementos en maquinaria industrial.



Racordaje y Tuberías.



Factores a considerar en la optimización de la efici encia de una red de

aire comprimido

� Demandas improductivas de aire comprimido

� Presión de trabajo de la red de aire comprimido.� Presión de trabajo de la red de aire comprimido.

� Consumo de aire comprimido.

� Sistema de regulación de los compresores.

� Calidad del aire comprimido.

� Requerimientos de energía.

AHORRO ENERGÉTICO

EN EN INSTALACIONES

DE AIRE COMPRIMIDO


3. AHORRO ENERGÉTICO EN INSTALACIONES DE AIRE COMPRIMIDO

Costes de aire comprimido

• ¿Cuánto gasto en aire comprimido?• ¿Cuánto aire comprimido es aprovechado

de manera eficiente?

Para generar UN TRABAJO de 1 kW con aire comprimido necesitamos entre 7-8kW de electricidad. Si traducimos esto a lenguaje económico, obtenemos que lageneración de 1 Nm3 de aire comprimido supone 1 céntimo de gasto energético,y entre 2-3 céntimos contando el mantenimiento de los compresores.

Por ejemplo, un compresor de 88 kW es capaz de proporcionarnos un caudal de unos 850m3/h. Funcionando de forma continua durante un año consumiría cerca de 70.000 € en energía eléctrica (dependiendo del coste del kW·h).


COMPONENTES ESTIMADOS DE LA DEMANDADE AIRE COMPRIMIDO EN PLANTA

Fugas 25%Fugas 25%



Producción 65%Producción 65%

UsosUsosinapropiados 5%inapropiados 5%

Demanda Demanda artificial 10%artificial 10%


¿Dónde y Cuándo puedo ahorrar en esta tecnología?

a) Ahorrar HOY : Disminuyendo los gastos energéticos en el consumode aire comprimido mediante el desarrollo de acciones quemodifiquen la generación y la utilización. Acciones de mejora en lamaquinaria existente.



maquinaria existente.b) Ahorrar en el FUTURO : Demandando instalaciones y máquinas

eficientes energéticamente. Adquisición de maquinaria nueva

Se pueden alcanzar ahorros del 7% al 20% en generación,

y ahorros del 20% al 40% en utilización, dependiendo de la instalación.


El consumo eléctrico representa más del 70% del costo del

ciclo de vida de un compresor

COSTO DEL CICLO DE VIDA DE UN COMPRESOR

InversiónInversión


Generación de Aire Comprimido

Consumo de energíaConsumo de energía

MantenimientoMantenimiento

InversiónInversión


COMPRESOR MOTOR

Perdidas en laTransmisión



ηϕ ××××= cos3 IVP

P = Potencia, en WV = Tensión , en VI = Intensidad , en An = Rendimiento

P total = P eje + Ptrans + η motor + Preactiva

R S T

Potencia en el EJE

Potencia consumidapor el MOTOR

Potencia Total consumidapor el COMPRESOR


El aire comprimido es una energía muy cara

El aire comprimido es una energía muy poco eficiente. Solo una pequeña parte de la energía que absorbe el motor de un compresor se transforma en energía potencial (presión) que utilizamos en los mecanismos que funcionan con esta energía



BALANCE ENERGETICO DE UN COMPRESOR INDUSTRIAL

RENDIMIENTO DELMOTOR Eléctrico

PERDIDASMECANICAS

PERDIDAS INTERNAS

CALOR

TRATAMIERNTO DELAIRE

ENERGIA POTENCIAL

funcionan con esta energía

BALANCE ENERGÉTICO EN UN COMPRESOR

Perdidas• Rendimiento del motor eléctrico 7%• Perdidas mecánicas 3%• Perdidas internas 3%• Calor 78% • Tratamiento 4%

Energía utilizable• Energía potencial (Presión) 5%

Se puede por tanto decir que los compresores son es tufas que generan una energía residual en forma de presión.


Factores a tener en cuenta para el ahorro energético en la parte de generación de aire comprimido:

a) Sistema de regulación de los compresores.

b) Calor generado en la compresión del aire.



b) Calor generado en la compresión del aire.

c) Gestión electrónica del comportamiento de la demanda.

d) Mejora en la monitorización de la presión, caudal y calidad del aire.

e) Temperatura del aire de entrada al compresor.

f) Presión máxima ajustada en el depósito.

g) Mantenimiento del compresor.

h) Calidad de aire comprimido.


Los controles en los sistemas de aire comprimido hacen que el caudal generado sea lo más

cercano posible a la demanda de aire de la red. Es la herramienta más importante para

obtener reducciones en el consumo energético, ya que un control adecuado nos dará una

operación eficiente y un alto desempeño del sistema, pero se debe ser muy cauteloso al

momento de seleccionar tanto el compresor como su sistema de control.


Generación de Aire Comprimido. Sistema de regulación de compresores

Estos sistemas pueden ser:

� Arranque-parada

� Todo-nada

� Modulante

� Variación de velocidad del motor eléctrico.



Generación de Aire Comprimido. Sistema de regulación de compresores : Sistemas de Regulación.

Arranque-parada : arranca o para el motor del compresor en función de la presiónen el depósito. Se utilizan en compresores de pequeña potencia, <7 kW

Todo-nada : Estos esquemas alimentan el sistema en el modo de “carga” ycuando la presión se alcanza, pasan al modo ‘sin-carga’, donde el compresorsigue trabajando, pero sin entregar aire al sistema.sigue trabajando, pero sin entregar aire al sistema.

Modulante : Permite ajustar el caudal generado a la demanda, restringiendo laentrada del aire al compresor a través de una válvula de admisión deestrangulamiento. Funciona con alta eficiencia desde el 100% hasta un régimendel 60% de la capacidad total.

Variación de velocidad del motor eléctrico : Mediante el uso de un variador defrecuencia de la línea del motor eléctrico, permite variar las revoluciones del rotory adaptar el caudal generado por el compresor a la demanda de la red. Elconsumo es prácticamente lineal desde el 100% hasta el 20-25% de plana carga.




Para sacar todo el potencial a los compresores con variación de frecuencia, se

deben instalar en paralelo con uno o varios compresores estándar, de manera que

estos últimos, solo funcionen a plena carga para suministrar la demanda estable en

el tiempo y un solo compresor con variación de frecuencia se encargue de ajustar el

caudal generado por el conjunto de la sala a las variaciones de la red.caudal generado por el conjunto de la sala a las variaciones de la red.


45ºC 45ºC

INVIERNOINVIERNO


Generación de Aire Comprimido: Aprovechamiento del calor generado en la compresión de aire

20ºC 20ºC

Aproximadamente un 80 % de la energía consumida por el compresor se transforma en calor, por lo tanto esta es la capaci dad de ahorro. En invierno se

puede utilizar como calefacción o para calentar agu a sanitaria.



Generación de Aire Comprimido: Temperatura del aire de entrada al compresor



Generación de Aire Comprimido: Presión de trabajo del compresor.

Reducir la demanda artificial: La demanda artificial es el consumo de airecomprimido adicional que creamos al presurizar la planta a valores mayores ala presión mínima optima.


La calidad del aire comprimido viene definida por la cantidad de impurezas y

humedad que este contiene, así como la estabilidad de la presión en toda la

red.

Un aire comprimido de alta calidad, aumentará la fi abilidad de la Un aire comprimido de alta calidad, aumentará la fi abilidad de la


Generación de Aire Comprimido: Calidad del Aire Comprimido

Un aire comprimido de alta calidad, aumentará la fi abilidad de la Un aire comprimido de alta calidad, aumentará la fi abilidad de la

producción, y reducirá la necesidad de mantenimient o, al mismo producción, y reducirá la necesidad de mantenimient o, al mismo

tiempo, que reduce el desgaste de la maquinaria que utiliza el aire tiempo, que reduce el desgaste de la maquinaria que utiliza el aire

comprimidocomprimido ..

Conseguir esta calidad requiere invertir en equipos, que además aumentan la

potencia requerida.

Por este motivo, la calidad del aire comprimido deb e ser la adecuada la calidad del aire comprimido debe ser la adecuada

a cada proceso productivo. Una calidad de aire a cada proceso productivo. Una calidad de aire exce sivamente buena excesivamente buena

es un despilfarro,es un despilfarro, ya que es caro conseguir esa cali dad.



Distribución de Aire Comprimido: Pérdida de Presión

En una red de distribución de aire comprimido bien diseñado la caída de presiónentre 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 depresión en valores aceptables es importante tener en consideración los siguientesaspectos:

a) Reducir el número de codos, bifurcaciones y válvulas al mínimo .a) Reducir el número de codos, bifurcaciones y válvulas al mínimo .

b) Asegurar que las uniones entre tuberías permitan un flujo suave, con

el objeto de reducir las turbulencias.

c) Dimensionar las tuberías basándose en el caudal punta .

d) Reducir la distancia entre la sala de producción de aire co mprimido y

los puntos de consumo de aire al mínimo.



Distribución de Aire Comprimido: Sectorización



Consumo de Aire Comprimido: Estrategias para el ahorro de energía en neumática

Las mejoras destinadas a incrementar la eficiencia energética de las instalaciones de aire comprimido se basan en los siguientes pilares:

a) Presión: es recomendable trabajar siempre a la mínima presión requerida para desarrollar la función asignada en cada caso.para desarrollar la función asignada en cada caso.

b) Sectorización: La sectorización se puede realizar por presión o por periodos de tiempo NO productivos.

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.



Consumo de Aire Comprimido: Presión

Debemos asegurar que la presión a la que trabajan las máquinas sea la MENORposible. Reduciendo la presión de funcionamiento de la máquina de 7 a 5,5 bar,ahorraremos casi un 20% en el consumo de energía.

a) Presión de trabajo por debajo de la presión del compresor: Usaremos a) Presión de trabajo por debajo de la presión del compresor: Usaremos un regulador de presión a la entrada de la máquina.

b) Presión de trabajo por encima de la presión del compresor: Usaremos multiplicadores de presión a la entrada de esa máquina

.



Consumo de Aire Comprimido: Presión de alimentación en ventosas



Consumo de Aire Comprimido: ∆∆∆∆p en Boquillas


En neumática se pueden distinguir 2 formas de sectorización:

1) POR ZONAS: Se consigue eliminar FUGAS en periodos de no operación. Para ello es necesario el uso de electroválvulas de corte 2/2. De esta forma conseguimos aislar nuestra instalación.

2) POR NIVELES DE PRESIÓN: Se consigue reducir el consumo de las máquinas y de las fugas. Para ello es necesario el uso de reguladores de presión instalados


Consumo de Aire Comprimido: Sectorización

de las fugas. Para ello es necesario el uso de reguladores de presión instalados bien a la entrada de la máquina, bien a nivel de actuador, o bien a nivel de sentido del movimiento.


Medición de la demanda mediante un medidor de cauda l de aireMedición de la demanda mediante un medidor de cauda l de aireCon un sistema de monitorización mediante caudalímetros podemos acotar laubicación de las fugas siguiendo un sencillo proceso de medida de consumo porzonas en momentos de inactividad. Asimismo también podemos hacer unseguimiento para mantener el consumo dentro de niveles óptimos. Se mide el


Consumo de Aire Coprimido: Monitorización

seguimiento para mantener el consumo dentro de niveles óptimos. Se mide elcaudal real.Medición mediante el análisis del consumo energétic o de los compresoresEste sistema mide y almacena el consumo de energía de cada compresor y lapresión del sistema, durante el tiempo deseado. Posteriormente mediante uncompleto software de análisis, podemos determinar : consumo de aire de lainstalación a lo largo del tiempo, consumo y eficiencia energética de cadacompresor, posibles ahorros con sistemas más eficientes.


Se distinguen 2 tipos de fugas:

Fugas dinámicas : Se encuentran a nivel de actuador y no tienen efecto cuandoeste está en su posición de reposo. Solo consumirá en los períodos de actividadde la máquina y solo en la parte del ciclo en la que el actuador abandona suposición de origen.


Consumo de Aire Comprimido: Fugas

Fugas estáticas : Son las que más consumen ya que se encuentran bien en laslíneas principales o bien a nivel de máquina en su posición de reposo. En elprimer caso consumen siempre, y en el segundo en períodos de inactividad ycuando el actuador está en su posición de origen. Como muestra, una fugaestática de 2 mm de diámetro a nivel de línea consume más que una máquinacon 10 cilindros (diámetro 50 mm, carrera 300 mm) con una cadencia de 5ciclos/minuto trabajando 250 días al año en 2 turnos al día. La fuga “trabaja”siempre.



Consumo de Aire Comprimido: Fugas

Es habitual que el nivel de fugas en un sistema sup onga un alto porcentaje (superior al 25%) del consumo energético total de una

instalación.


Reducción de Reducción de Costo 75%Costo 75%


Consumo de Aire Comprimido: Fugas.

Costo de Costo de Detección 10%Detección 10%

Costo de Costo de Reparación 15%Reparación 15%

Un buen programa preventivo de fugas debe incluir: identificación, ajuste, reparación, verificación e involucrar a tod os los empleados,

para que estas no se vuelvan a reproducir



Consumo de Aire Comprimido: Fugas en cilindros



Consumo de Aire Comprimido: Fugas en Ventosas



Consumo de Aire Comprimido: Fugas en Válvulas



Consumo de Aire Comprimido: Fugas en racores y tuberías

RECOMENDACIONES PARA LA PARA LA

ADQUISICIÓN DE

MAQUINARÍA


3. RECOMENDACIONES PARA LA ADQUISICIÓN DE MAQUINARÍA

REQUISITOS GENERALES DE INSTALACIÓN

Identificación : Junto a la unidad de tratamiento de aire, la máquina debe disponer deuna placa de identificación en la que indique los siguientes datos:

a) Presión de alimentación (bar o Mpa)

b) Consumo ciclo (m3/min)

c) Caudal punta (l/min)

Presión : Funcionamiento correcto con una presión de red de 5,5 bar.Presión : Funcionamiento correcto con una presión de red de 5,5 bar.

Caudal punta : No puede existir una caída de presión superior a 0,3 bar en el instantede arranque y funcionamiento en automático de la máquina con todos los elementosen funcionamiento y en la secuencia más desfavorable de simultaneidad de lossistemas neumáticos instalados.

Conexiones : Todas las conexiones neumáticas deberán cumplir normativa dedurabilidad/fuga JIS B8381 o similar ISO. El dimensionamiento de las conexionesneumáticas de alimentación debe permitir un 50% más de caudal punta.


Calidad del aire : Se debe garantizar una perdida de carga no superior a0,2 bar de inicio a fin en el sistema de filtración de aire instalado. Los filtrosde gran caudal o alta eficacia (>0,3micras) deben disponer de manómetrodiferencial o indicador de saturación.Tomas auxiliares : Las tomas de aire auxiliares (pistolas, etc...) se

REQUISITOS GENERALES DE INSTALACIÓN


Tomas auxiliares : Las tomas de aire auxiliares (pistolas, etc...) seentienden como parte de la máquina. Deben de disponer de regulación depresión y llave de bola para apertura y cierre. Su conexión debe estarantes de la unidad tratamiento general de la máquina y después de laválvula de descarga manual general.


Volúmenes muertos: Se debe garantizar en todo lo posible la mínima distanciaentre actuador y válvula direccional. En los sistemas de vacío de acción repetida,la distancia entre válvula/eyector/ventosa debe ser mínima, lo mismo que ensoplados de acción repetida entre la válvula y boquilla.Dobles presiones: En los cilindros o actuadores de diámetro superior de 63mm,carreras por encima de 200mm y actuaciones mayores de 5 ciclos/min., seinstalarán sistema de dobles presiones.Sistemas de soplado : Todos los soplados deberán estar diseñados teniendo en

REQUISITOS DE DISEÑO CONSTRUCTIVO


Sistemas de soplado : Todos los soplados deberán estar diseñados teniendo encuenta la fuerza de impacto o el área efectiva. Para ello todo soplado dispondráde boquillas de alta eficiencia o amplificadores de aire .Sistemas de vacío: Los sistemas de vacío con venturi deberían estar calculadospara una presión máxima de entrada de 4,5 bar. En la utilización de venturi para lamanipulación de material no poroso se instalarán sistemas de.eyectores de vacío con válvulas economizadoras.Maniobras en tiempo sostenidas : Cuando la actuación de una válvula seaconstante, se deberá introducir válvulas con bobinas de baja potencia.Sectorización de presiones : Separar los consumos dirigidos a soplados, vacíosy maniobra por mediación de reguladores de presión o líneas independientes..


REQUISITOS DE MEDIDAS PREVENTIVAS

Monitorización de caudal : En caudales de funcionamiento superiores a 1000 l/min.la máquina deberá disponer de un caudalímetro por termoresistencia, con indicaciónde caudal punta y caudal acumulado.Monitorización de presión : Todos los manómetros analógicos deberán ser conesfera bicolor. Los presostatos digitales deberán estar programados para que a unrango superior o inferior de la presión deseada cambie de color. (verde: OK; rojo:incorrecto.)Presiones de Stand -By: En caudales superiores a 2500 Nl/min. se deberá instalar


Presiones de Stand -By: En caudales superiores a 2500 Nl/min. se deberá instalarun sistema de doble presión de maquina, teniendo como presión de trabajo 5,5 bary 2,5 bar con presión de stand-by, interpretando como stand-by aquellos momentosno productivos (paradas programadas, selector 2.5. Recomendaciones paracuadernos de especificaciones “manual”, etc.).Sectorización de consumos en momentos no productivos: Todas las maquinasdeben de disponer de un sistema automático de corte de suministro general de airepara momentos no productivos. Este sistema recomendamos que no sea el mismoque se utiliza para descarga de seguridad y no debe evacuar el aire comprimido enel interior de la máquina.

DESCRIPCIÓNDE LA

MAQUETAMAQUETA

Eficiencia Energetica Aire Comprimido

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