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Twitter  Facebook  Linkedin    Sábado, 4 de diciembre de 2021
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Variadores de velocidad en compresores de tornillo, casi siempre un excelente aliado

El aire comprimido es una de las principales fuentes de energía utilizada en la industria y también una de las más caras. La tecnología de variación de velocidad en los compresores se ha desarrollado para reducir ese costo, pero ¿son realmente rentables?
Variadores de velocidad

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Los compresores de velocidad variable se utilizan en gran variedad de procesos y no solo en la industria manufacturera. La razón principal para utilizar esta tecnología, en la que se varía el consumo energético del motor en función de las necesidades del usuario, está relacionada con el ahorro energético.

 

Cada vez son más las empresas motivadas a implementar este tipo de tecnología, ya sea por la reducción de la huella de carbono que se produce en la sala de compresores, por los ahorros energéticos o por las subvenciones relacionadas con el uso de variadores. La pregunta es: ¿realmente ahorran tanto como se piensa?

 

 

Ventajas de los compresores de velocidad variable

 

Como en todo proceso industrial, los equipos que lo componen están sometidos a un continuo análisis energético. En este sentido, los compresores de velocidad variable presentan una serie de ventajas:

 

  • Ajuste del consumo de energía de acuerdo con la demanda. Habitualmente, los variadores de velocidad se montan en compresores de desplazamiento positivo como los de tornillo. Basados en los requerimientos de la demanda de aire comprimido, el motor del compresor girará a mayor o menor velocidad consumiendo una energía “más o menos” proporcional al caudal entregado.  En teoría, cuando se tiene una demanda de aire comprimido baja se reduce a su vez el consumo de energía y, por el contrario, cuando la demanda se incrementa se produce un mayor consumo energético. Todo esto se gestiona en una sola máquina.

 

  • Arranque en rampa. Los arranques suaves, que favorecen la vida útil del motor y el número de arranques por hora. Como el variador permite que la rampa de arranque sea suave, la corriente se incrementa gradualmente y por lo tanto también la temperatura interna del motor. Al no estar sometido a altas variaciones de temperatura, se espera tener un motor con mayor confiabilidad y durabilidad.

 

  • Control de la presión de la sala. Como el compresor varía las revoluciones del motor, de acuerdo con la demanda de aire comprimido, se espera que la presión de la sala esté alrededor de una banda de ±0,3 bar, lo que redunda en beneficios para la planta y los usuarios finales.

 

  • Variación del caudal. La capacidad del compresor se adapta a la demanda, de manera que, en teoría, es como si siempre hubiera un compresor del tamaño que necesita la planta en cada momento.

 

 

tornillo_variable_kaeser_mundocompresor

 

 

Conocer su funcionamiento ahorra energía

 

En los compresores de velocidad variable se pueden encontrar algunos puntos no tan positivos, pero su conocimiento permitirá saber dónde y cómo utilizarlos para aprovechar al máximo sus posibilidades en el ahorro energético:

 

La curva de consumo específico vs demanda es variable. Esto quiere decir que estos equipos no tienen el mismo consumo específico en todos los valores de sus revoluciones.

 

Para apoyar este concepto, primero se analizará qué es el consumo específico:

 

Cantidad de kW requeridos para producir 1 m3/min de aire comprimido

 

Esta definición indica que cuanto más alto sea este valor, el compresor será menos eficiente y por el contrario, un valor reducido implica una eficiencia elevada.

 

Curva de un compresor hipotético “A”, según la figura 1.

 

 

compresor_tornillo_variable_kaeser_mundocompresor

Figura 1. Curva de potencia específica vs caudal de un compresor de velocidad variable

 

 

En este caso se puede observar cómo el consumo específico es muy alto en dos momentos de la curva:

  • Cuando el compresor entrega poco caudal
  • Cuando está cerca de entregar el máximo

 

El compresor es realmente eficiente solo cuando el caudal producido está entre 7 y 12 m3/min, un rango muy reducido para las posibilidades máximas del caudal del compresor. En este caso, es posible que varios equipos de velocidad fija trabajando juntos sean más eficientes que la solución de un solo compresor con variador.

 

  • Alta dependencia en la calidad de la energía. Cuando en las instalaciones se tiene problemas con las puestas a tierra, existen subtensiones o sobretensiones que pueden generar a su vez importantes problemas en el bobinado del motor. Como consecuencia, el nivel de reparaciones es mayor y los costes derivados de las mismas se elevan considerablemente.  

 

  • Inversión. El coste de inversión de los equipos de velocidad variable es más alto que los equipos de velocidad fija. Adicionalmente, los costes de mantenimiento tienden a ser más altos cuanto se tiene en cuenta el mantenimiento requerido por el variador de velocidad.

 

  • Equipo de reserva. Es habitual que solo se utilice un solo compresor de velocidad variable para abastecer a la planta debido al concepto de entrega y consumo proporcional a la demanda. Esto obliga a tener otro compresor del mismo tamaño como equipo de respaldo o en el peor de los casos, a depender de un solo compresor cuando no se cuenta con el presupuesto suficiente para un equipo de apoyo.

 

  • Control gap. Cuando se tienen dos compresores iguales, uno de ellos con variador de velocidad y otro de velocidad fija, existe un rango en la demanda que no es posible controlar de manera eficiente y sostenible para los compresores, el llamado agujero de regulación o “control gap”.

 

 

Agujero de regulación o “control gap”

 

Para estudiar el término agujero de regulación o “control gap” es importante tener en cuenta que los compresores de velocidad variable no trabajan del 0% al 100% de sus revoluciones. Estos equipos tienen un régimen mínimo de trabajo y, por lo tanto, un caudal mínimo de entrega. Debido a esta característica, existe un intervalo de la demanda que no es abastecido eficientemente por los compresores que se tienen disponibles y que es lo que se conoce como agujero de regulación o “control gap”.

 

Hay que tener precaución y entender que no es una falta de capacidad de los compresores para abastecer la planta, sino que, en un agujero de regulación, los compresores pueden tener capacidad suficiente, pero no trabajarán correctamente.

 

A continuación, se expone un ejemplo de la vida cotidiana para luego ir a uno más práctico en un sistema de aire comprimido. Imaginemos una pequeña tienda de confituras y dos opciones para llevar los productos a los clientes: una bicicleta o un camión.

 

En el primer caso, la bicicleta es un vehículo muy pequeño que no permite transportar de manera segura la mercancía. El segundo vehículo es muy grande, lo que representa un alto consumo de combustible para llevar pequeñas cajas de un lugar a otro. En resumen, no se dispone del vehículo con el tamaño adecuado para las necesidades y que sea eficiente.

 

Es obvio que el camión podría servir, pero puede que las ganancias en la venta de confitura se pierdan a la hora de pagar el combustible diésel del camión. La solución en este caso sería disponer de un vehículo del tamaño adecuado a las necesidades.

 

Imaginemos ahora un sistema de aire comprimido con un compresor de 10 m3/min de velocidad fija y un compresor de 10 m3/min de velocidad variable.

 

compresor_ tornillo_velocidad_variable_kaeser_mundocompresor

 

 

Como se mencionó anteriormente, los compresores de velocidad variable no llegan a 0 m3/min (ver figura 2), por lo que para este ejemplo se considerará un caudal mínimo de 2 m3/min. Vale la pena decir que estos valores son totalmente razonables en la vida real.

 

Con estos datos se analizan las siguientes gráficas:

 

 

compresor_ tornillo_velocidad_variable_kaeser_mundocompresor

 

 

El problema surge cuando se tiene que establecer una demanda que se encuentra entre los 10 y 12 m3/min. Para este análisis se supone un caudal de 11 m3/min.

 

En la figura se puede observar que el compresor con variador no es capaz de abastecer la demanda requerida trabajando solo, incluso a máximas revoluciones (I). Justo en ese momento, el compresor de velocidad fija entra en carga (II), de manera que entre los dos compresores se entregan 20 m3/min, que es demasiado para lo que necesita la planta, que son 11 m3/min. Al ser muy grande el caudal aportado a la red, la presión se incrementa y el variador de velocidad desacelera hasta sus mínimas revoluciones (III), es decir, el caudal se reduce hasta los 12 m3/min. Pero dado que la demanda es de 11 m3/min, la presión seguirá subiendo hasta que el equipo de velocidad fija pase a vacío, justo cuanto el variador está en mínimas revoluciones (IV).

 

Como la capacidad del variador no es suficiente, este acelerará a lo máximo posible (I) y todo volverá a comenzar. Como se puede ver, el agujero de regulación es un juego sin fin y solo terminará cuando la demanda sea mayor a los 12m3/min o menor que 10 m3/min.

 

El resultado errático de este tipo de operación es:

  • Aumento del número de horas de trabajo de los compresores, lo que incrementa los intervalos de mantenimiento.
  • Altos costes energéticos por la operación itinerante del equipo de velocidad fija.
  • Desgaste acelerado en los equipos por fluctuaciones en su operación, principalmente en el equipo de velocidad fija.
  • Presión inestable en el sistema de aire comprimido.

 

Como se puede observar, el efecto conseguido es todo lo contrario a lo que se espera cuando se tiene un compresor de velocidad variable.

 

La solución para resolver un agujero de regulación está en diseñar los compresores del tamaño adecuado, tratando de evitar que el compresor de velocidad variable sea de la misma capacidad o menor que el compresor de velocidad fija.

 

Los equipos de velocidad variable ofrecen grandes ventajas desde el punto de vista energético, siempre que se dimensionen correctamente de acuerdo con las necesidades de cada planta. Un compresor provisto con este tipo de tecnología operando a bajas revoluciones ofrece un consumo energético alto, y reduce la confiabilidad y disponibilidad del aire comprimido en la planta.

 

 

Artículo publicado por KAESER Compresores : kaeser_compresores_logo

 

 

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