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Trabajo: Trabajo es asociado al producto de una fuerza.

El trabajo mecánico, es un término que está relacionado con la rama de la física que se centra en el movimiento y el equilibrio de los objetos que están sometidos a la influencia de una fuerza y es el producto de una fuerza y distancia sobre la cual la fuerza actúa en un objeto.

En la neumática es cuando el aire atmosférico se comprime en un cilindro con un pistón en movimiento, la energía se transfiere del pistón al aire y esa transferencia de energía es un trabajo termodinámico y asociado a los cambios en el volumen de gases como proceso de la termodinámica. Cuando se descomprime el aire comprimido en los actuadores neumáticos, se puede hacer que la energía liberada realice un trabajo útil (W).

Figura 1: Trabajo mecánico en la compresión.

En el Sistema Internacional de Unidades el trabajo es el Jule (J) y es el trabajo realizado por una fuerza de un Newton en un desplazamiento de un metro en la dirección de la fuerza.

La potencia es el trabajo realizado por unidad de tiempo. Es una medida asociada al tiempo con la que es posible trabajar. En el sistema Internacional de Unidades para la potencia es el watt (W). En la ingeniería neumática la potencia al eje de accionamiento de un compresor es aproximadamente a las emisiones de calor del equipo más el calor suministrado al gas comprimido.

La capacidad calorífica es la cantidad de calor necesaria para elevar la temperatura de una sustancia en 1 grado Kelvin.

Figura 2: Fórmula de la capacidad calorífica de una sustancia.

Presión atmosférica: La presión atmosférica es creada por el peso de la propia atmósfera. Varía según la densidad del aire y la distancia al centro de la Tierra. La presión normal al nivel del mar es de 1,013 bar (absoluta). La presión absoluta cae aprox. 100 mbar por cada 1.000 metros de altitud.

Figura 3: gráfico de caída de presión atmosférica versus la altitud.

Volumen: El volumen (V) de aire es la expansión espacial (p. ejemplo. en m³), dependiendo del estado de funcionamiento.
En general:

El volumen depende de la presión la presión “1” y la temperatura “2”.

Figura 4: El volumen depende de la presión y la temperatura.

Caudal: El caudal volumétrico en un sistema neumático es el volumen de aire que circula por unidad de tiempo. Se calcula como el producto del área transversal del caudal y su velocidad media. En el sistema Internacional de Unidades para el caudal volumétrico es el metro cúbico por segundo (m³/s), también es utilizada la unidad litros/segundo (l/s) y denominadas capacidad de un compresor.

Cuando se denomina con el prefijo normal (Nm³/min) es el aire libre suministrado y se vuelve a calcular al estado normal y es referido a 1.013 milibar(a) de presión atmosférica y a una temperatura de aspiración del compresor 273,15 K (0°C / 32°F) de acuerdo a la Norma ISO DIN 1343 y la según la normativa ISO 2533 es a una temperatura de 288,15 K (15°C / 59°F) y ambas a una humedad relativa de 0%.

La unidad de caudal normal N se utiliza al especificar un caudal másico de aire.

Para el aire libre suministrado (FAD, siglas en ingles Free Air Delivery), el caudal de salida del compresor se vuelve a calcular a un caudal de aire libre en la condición de entrada estándar a una presión de entrada de 1.000 milibares (a) y temperatura de aspiración de 20°C de acuerdo a la normativa ISO 1217 Anexo C. y la diferencia del caudal volumétrico es no tener en cuenta la humedad.

Resumen

Los volúmenes de entrega de los compresores de desplazamiento positivo instalados son dados siempre en volúmenes normales (VN).

En los catálogos de equipos compresores, las especificaciones de condiciones de entrada son de acuerdo a norma ISO 1217: 20°C, 1 bar(a), 0% de Humedad Relativa con tolerancia permisible (+/- 10 K; +/- 0,1bar).

Figura 5: Clasificación de los volúmenes normales y de sitio.

Esta definición es requerimiento a la llamada potencia o energía específica, que significa la cantidad de energía necesaria para suministrar un volumen de aire libre suministrado de 1 metro cúbico por minuto a una determinada presión operativa o máxima de trabajo.

Figura 6: Potencia específica del compresor de aire de desplazamiento positivo.

*No confundirse con la potencia en el eje del compresor (BHP), es la potencia total de suministro o de acometida del equipo.

Mediciones en el compresor de aire comprimido

Para seleccionar un compresor es especificar su sistema de aire comprimido por dos parámetros caudal, presión, no por kW. Y para todo el sistema de aire comprimido un tercero que es la calidad de aire o la aplicación productiva que requerimos en las bocas de consumo.

Figura 7: Requerimientos necesarios en el sistema de aire comprimido

Otro punto importante la comparación de eficiencia energética, cuantos kilowatts consume por cada metro cubico por minuto generado, la llamada potencia específica, también llamada energía específica (ver formula anterior).

Otro punto a tener presente es la eficiencia isentrópica siendo una relación entre las energías real e ideal de un compresor de aire. Su valor está expresado en porcentual y cuando mayor es el porcentaje será más eficiente en transformar la energía eléctrica en aire comprimido y es calculado de la acuerdo a la normativa ISO 127 Anexo H. La eficiencia isentrópica (EI) y la potencia específica (Pesp), permite realizar una mejor toma de decisión a la hora de mejorar la eficiencia energética o de futura expansión del sistema de aire comprimido. Con la eficiencia isentrópica (EI) podremos realizar comparativas referida a la capacidad volumétrica de entrega y la presión operativa de los compresores de desplazamiento positivo analizados.

En resumen, la potencia específica (Pesp) proporciona la información necesaria para calcular el costo operativo en diferentes compresores de aire y la eficiencia isentrópica (EI) permite ver la eficiencia de la compresión.

En resumen, la potencia específica (Pesp) proporciona la información necesaria para calcular el costo operativo en diferentes compresores de aire y la eficiencia isentrópica (EI) permite ver la eficiencia de la compresión.

Selección del compresor de aire comprimido

El trabajo mecánico se expresa en el caudal y la presión, estas mediciones corresponden a la velocidad del equipo y al requerir desplazar materias pesadas, se requerirá mayor presión. Al seleccionar un compresor demasiado grande o demasiado pequeño, existe el riesgo de ineficiencia energética y de caudal volumétrico respectivamente, aumentando los costos de manteniendo al tener un bajo factor de carga (relación de horas de carga y horas de marcha del compresor), ya que los periodos de servicio se basan independiente en las horas de marcha del equipo.

También hay que tener presente si es requerido el suministro de aire durante las 24/7 horas/días y los diferentes requisitos para las aplicaciones de uso, determinando el tamaño y elegir entre compresores de velocidad fija y/o de velocidad variable con convertidor de frecuencia de acuerdo a la demanda.

Compresores de accionamiento de velocidad fija y de velocidad variable con convertidor de frecuencia

En el mercado existen compresores de velocidad fija y de velocidad variable con convertidor de frecuencia y son referidos al funcionamiento del motor y al control de carga del equipo.

Los compresores de velocidad fija comprimen a una velocidad, mientras que los compresores de velocidad variable regulan la velocidad en función de la demanda.

Cada uno de ellos tiene sus propias ventajas, en función de su operatividad y requerimientos en la demanda. Los compresores controlados por convertidor de frecuencia deben funcionar dentro de una gama de control del 40 al 80%, ahí es donde se alcanza la máxima rentabilidad.

Figura 10: Gama de control optima en los compresores de velocidad variable.

La regulación del aire producido por medio de un convertidor de frecuencia no es el remedio para conseguir la operatividad más eficiente del compresor.

Para determinar que compresor será el de mayor eficiencia en su aspecto energético y volumétrico, por favor contacte a nuestra área de Ingeniería para más información o poder realizar una auditoria de aire comprimido de acuerdo a la normativa ISO 11011, nuestro correo electrónico: ingenieria.argentina@kaeser.com
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Fotos fuente: Kaeser Kompressoren y www.hansord.com