En el aire comprimido, los detalles importan. Pequeñas diferencias en la forma de producirlo, medirlo o utilizarlo pueden tener un impacto significativo, tanto positivo como negativo, en la eficiencia y los costos de operación.
Cuando se produce en condiciones desfavorables, el aire comprimido puede convertirse en una fuente importante de consumo energético. Sin embargo, una generación correctamente dimensionada y eficiente permite obtener el aire necesario con un menor costo.
Para comprender mejor el rendimiento de un sistema de aire comprimido, es fundamental conocer algunos conceptos básicos. En este capítulo revisaremos cinco de ellos: caudal de entrada, potencia suministrada por el motor, potencia eléctrica consumida, potencia específica y eficiencia de los motores IE.
1. Caudal de entrada
El caudal de entrada es la cantidad de aire, en condiciones atmosféricas, que un compresor aspira, comprime y suministra a la red de aire comprimido.
Las normas DIN 1945, parte 1, anexo F, e ISO 1217, anexo C, establecen los procedimientos para realizar correctamente esta medición.
Para determinar el caudal, primero se miden la temperatura, la presión atmosférica y la humedad del aire en la entrada de la unidad. Posteriormente, se registran la presión máxima de servicio, la temperatura del aire comprimido y el volumen de aire a la salida del compresor.
Con estos datos, se recalcula el volumen de aire en la salida utilizando la ecuación de los gases y considerando las condiciones de aspiración. El resultado permite determinar el caudal del compresor.
Importante: el caudal del compresor no debe confundirse con el caudal de la unidad de compresión.
Atención: las normas DIN 1945 e ISO 1217 se refieren específicamente a los caudales de las unidades de compresión.
2. Potencia suministrada por el motor
La potencia suministrada por el motor corresponde a la potencia mecánica que el motor transmite al eje de accionamiento del compresor.
La condición óptima de funcionamiento se alcanza cuando el motor trabaja con un buen rendimiento eléctrico, sin sobrecargarse y dentro de su rango de potencia nominal. Este valor puede consultarse en la placa de características del motor eléctrico.
Atención: si la potencia suministrada por el motor se aleja considerablemente de su potencia nominal, puede producirse un consumo energético innecesario y un desgaste excesivo del motor.
3. Potencia eléctrica consumida
La potencia eléctrica consumida es la energía que el motor principal toma de la red para proporcionar una determinada potencia mecánica en su eje.
Esta potencia incluye tanto la potencia transmitida al eje como las pérdidas internas del motor, entre ellas las pérdidas eléctricas y mecánicas generadas por los rodamientos y la ventilación.
El requerimiento ideal de potencia en el punto nominal puede calcularse mediante la fórmula correspondiente, utilizando los valores de tensión nominal (Un), corriente nominal (In) y factor de potencia (cos ϕn) indicados en la placa de características del motor.
4. Potencia específica
La potencia específica permite evaluar la eficiencia con la que un compresor produce aire comprimido. Se define como la relación entre la potencia eléctrica requerida y el caudal suministrado a una determinada presión de servicio (figura 2).
Para obtener un valor representativo, deben considerarse todos los accionamientos eléctricos que intervienen en el funcionamiento del compresor, como:
- Motor principal.
- Motor del ventilador.
- Motor de la bomba de aceite.
- Calefacción auxiliar.
- Otros consumidores eléctricos del sistema.
Cuando la potencia específica se utiliza para realizar cálculos de rentabilidad, debe considerarse el compresor completo a su presión máxima de servicio. Para ello, se divide el requerimiento total de potencia a presión máxima entre el caudal suministrado a esa misma presión.
5. IE: mayor eficiencia para un menor consumo
La evolución de los estándares de eficiencia energética ha impulsado importantes mejoras en el rendimiento de los motores eléctricos. En 1997 comenzó en Estados Unidos la clasificación de motores asíncronos trifásicos con la Energy Policy Act (EPACT). Posteriormente, Europa adoptó sus propias clasificaciones y, desde 2010, se encuentra vigente el estándar internacional IEC para motores eléctricos.
Estas normas han favorecido el desarrollo de motores cada vez más eficientes, especialmente dentro de las clases IE3 e IE4.
Las pérdidas internas de un motor, provocadas principalmente por el calentamiento y la fricción, pueden representar una parte importante de su consumo energético. Estas pérdidas pueden alcanzar hasta un 20 % en motores pequeños y situarse entre un 4 % y un 5 % en motores de más de 200 hp.
Los motores IE3 e IE4 generan menos calor y, por tanto, presentan menores pérdidas térmicas (figura 3).
Mientras un motor convencional puede alcanzar un calentamiento aproximado de 80 K durante el funcionamiento normal, un motor IE puede trabajar en condiciones similares con un calentamiento cercano a 65 K. Esto permite disponer de una mayor reserva térmica.
Una menor temperatura de funcionamiento reduce la carga térmica sobre el motor, los cojinetes y la caja de bornes.
El resultado es una menor exigencia de los componentes y una mayor vida útil del motor.
Una mayor eficiencia del motor también se traduce en un mejor aprovechamiento de la energía.
KAESER ha adaptado sus compresores a las posibilidades de los motores IE, logrando mejoras de hasta un 6 % en el caudal y un 5 % en la potencia específica.
Esto se traduce en un mejor rendimiento del sistema, tiempos de funcionamiento más cortos y un menor consumo energético por cada metro cúbico de aire comprimido suministrado.
Comprender la relación entre caudal, potencia, consumo eléctrico y potencia específica es fundamental para evaluar el rendimiento real de un compresor. A esto se suma la eficiencia del motor, que puede marcar una diferencia importante en el consumo energético y en los costos de operación a lo largo de toda su vida útil.