Usuarios de compresores de aire han notado que las hojas de datos de compresores de aire del Compressed Air and Gas Institute (CAGI), con fecha posterior a junio de 2020, tienen un nuevo término en la lista: eficiencia isentrópica. La eficiencia isentrópica será el nuevo estándar de referencia para una verdadera comparación de la eficiencia general de los compresores de aire a cualquier presión de descarga nominal. Ahora los usuarios pueden ver qué empresa produce el producto más eficiente con un número de porcentaje de referencia fácil. La industria del aire comprimido, junto con CAGI, ha estado tratando de hacer comparaciones justas entre los compresores de aire durante años. Regresemos a la historia y revisemos esta progresión histórica antes de entrar en la explicación de la eficiencia isentrópica (EI) en detalle.
En la década de 1970, cuando los compresores de aire de tornillo rotativo eran nuevos en el mercado, su competencia eran principalmente los compresores de aire alternativos de pistón de doble acción. Eran compresores de aire muy eficientes, al menos en los primeros años de funcionamiento. Los clientes consideraron los compresores de aire de tornillo rotativo porque las máquinas de pistón requerían mucho mantenimiento costoso, tenían problemas relacionados con las vibraciones y eran ruidosas. Además, la mayoría requería refrigeración por agua, que se estaba volviendo más costosa con el tiempo.
Los estándares completos para probar el rendimiento de los compresores de aire no existieron en la industria hasta principios de la década de 1990, cuando ISO 1217 fue el primer método de prueba comúnmente estándar implementado. Hasta ese momento, los fabricantes de compresores de aire probaron sus máquinas de formas ligeramente diferentes. Por ejemplo, no existía un estándar para la temperatura o la humedad de entrada, lo que puede tener un gran impacto en el rendimiento. Algunos fabricantes de compresores de aire solo estaban midiendo el rendimiento del extremo de la unidad de compresión sin pérdidas para la válvula de entrada, enfriadores, separadores y enfriadores. Esto podría significar que un fabricante a otro podría tener una diferencia de rendimiento de potencia del paquete del 5% o más.
Durante este período, algunos fabricantes de compresores de aire ni siquiera publicaron la capacidad nominal en sus folletos. Las auditorías posteriores de las máquinas de 1970-1980 han demostrado que tenían un promedio de 425 CFM por 100 HP. Con una mejor tecnología en los perfiles de rotor y tolerancias de mecanizado más estrictas, las máquinas de tornillo rotativo de hoy en día obtienen hasta 530 CFM para etapas simples y 600 CFM para dos etapas, por tamaño de motor de 100 HP.
Hasta mediados de la década de 1970, los usuarios finales realmente no prestaban atención a los costos de energía porque el costo de la electricidad no representaba un gran impacto. La mayoría de los clientes no tenían idea de cuánto cuesta operar un compresor de aire porque era solo una pequeña parte de una factura más grande. Muchas de las instalaciones empleaban compresores de pistón de gran tamaño. Cuando fueron reemplazados por máquinas de tornillo rotativo menos eficientes, no se manifestó en ningún cambio significativo en la factura de energía. Todo el mundo estaba simplemente encantado por el menor costo de mantenimiento.
En la década de 1990, todos los proveedores tenían sus capacidades publicadas en sus folletos, pero las capacidades publicadas variaban considerablemente. Por ejemplo; una empresa tenía un compresor de 100 HP con una potencia nominal de 563 CFM a 100 PSI, mientras que el resto de la industria tenía un promedio de 490 CFM. Finalmente, se descubrió que este modelo en particular utilizaba un motor de factor de servicio de 1.40, con una potencia de eje de más de 125 HP. Funcionaba según lo publicado, pero no era claro la potencia real utilizada.
Los factores de servicio del motor y la clasificación de HP o KW también han sido un tema en evolución. La mayoría de la industria usaba motores con factor de servicio(F.S.) de 1,15 y aproximadamente el 10% del 15% d este factor está disponible para utilizarse. El factor de servicio es realmente el amperaje máximo, disponible a un voltaje dado, que el motor puede entregar de manera confiable, dadas las otras condiciones de diseño de temperatura, altitud (capacidad de enfriamiento del aire) y factor de potencia. Los fabricantes de motores etiquetarán los motores de la forma que desee el cliente, es decir, un motor de F.S. 1.25 de 100 HP o un motor de F.S. 1.0 de 125HP son esencialmente el mismo motor si tienen el mismo tamaño de estructura. Los fabricantes de compresores de aire seleccionan y aplican los motores para sus compresores de muchas formas diferentes, pero los amperios máximos disponibles a un voltaje nominal son el factor determinante final.
En la década de 1980, la industria se volvió más exigente en lo que se entendía por flujo. Una empresa comenzó a publicar “entrega de aire libre” o FAD, que mide el aire en la entrada y publica la potencia total utilizada. Parecían menos eficientes que los demás, pero en realidad eran más o menos iguales. Este artículo no pretende hacer juicio sobre ninguno de los fabricantes de compresores de aire. Todos publicaron buenos datos, ¡simplemente midieron de diferentes maneras!
ISO 1217 Anexo C
Publicado originalmente en 1947, el Manual CAGI ha sido el recurso de referencia para todo el aire comprimido. Ahora en su séptima edición, y disponible electrónicamente en el sitio web de CAGI, el manual ilustrado contiene información de ingeniería de los principales fabricantes y valiosos datos de referencia sobre sistemas de aire comprimido. A finales de la década de 1990, CAGI y las empresas que componen su membresía acordaron un estándar en el que medirían sus máquinas con los mismos criterios. CAGI se conformó con el Anexo C ISO 1217 aceptado a nivel mundial, que es el estándar básico que todavía se utiliza en la actualidad. Esta prueba es para el caudal volumétrico a través de un compresor de aire.
CAGI y Pneurop han adoptado una definición de aire estándar que es 20 °C, 1 bar de presión absoluta y 0% de humedad relativa (HR). Cuando se prueba al código ISO 1217, se corrigen las condiciones de entrada del compresor para calcular el volumen que fluyó a través del compresor. Si desea saber la masa que fluyó a través del compresor, debe convertir el flujo volumétrico a condiciones estándar, eso le da el caudal en SCFM (caudal medido en masa) que fluye a través del compresor en cualquier condición ambiental dada.
Hojas de datos de compresores de aire CAGI
Una vez que se aceptó la norma ISO 1217 Anexo C, CAGI y sus miembros acordaron publicar una hoja de datos estándar simple para compresores de velocidad como parte del programa de verificación del desempeño de CAGI. De esta manera, las miembros deben publicar estas hojas de datos en su sitio web con fácil acceso. Un laboratorio de pruebas independiente va con cada fabricante de compresores de aire y selecciona al azar tres compresores para enviarlos al laboratorio. Luego, el laboratorio prueba esos compresores y verifica que su rendimiento coincida con las hojas de datos publicadas. Los resultados de todas las pruebas están disponibles en https://www.cagi.org/pdfs/cagirotarydirectory.pdf
Examinemos la hoja de datos del compresor de aire de tornillo rotativo de velocidad fija lubricado. Los compresores de aire de velocidad variable tienen hojas de datos en el mismo formato, pero su eficiencia isentrópica utiliza un promedio ponderado de carga completa, 40 a 70 por ciento de la carga completa.
Línea 1 y 2: nombre y modelo del fabricante, tipo de enfriamiento (refrigerado por agua o aire) y si es un compresor de una o dos etapas.
Línea 3: capacidad de flujo a plena carga. Ese número es la cantidad de pies cúbicos medidos en la descarga, ajustados a las condiciones de entrada en el momento de la prueba según ISO 1217 Anexo C.
Línea 4: presión de funcionamiento a plena carga. Esta es la presión donde se mide la capacidad y la potencia total del paquete.
Línea 5: presión máxima de flujo total. En máquinas con un sistema operativo de carga / descarga, esta es la presión más alta a la que funcionará la máquina antes de que se descargue. Para este tipo de máquina, esta presión puede ser de 3 a 15 PSI más alta que la presión de funcionamiento a plena carga. A esta presión, la potencia total del paquete de la máquina será mayor.
Líneas 6 y 7: caballos de fuerza (HP) de la placa de identificación del motor de transmisión principal y la eficiencia del motor. Cuanto mayor sea el número del artículo 7, más eficiente será el motor. Algunos fabricantes tienen una opción para motores de mayor eficiencia.
Líneas 8 y 9: potencia y eficiencia de la placa de identificación del motor del ventilador. Los ventiladores normalmente están diseñados para funcionar a 40 ° C (104 ° F). Si el compresor de aire está en un lugar más cálido, es posible que se requiera un ventilador más grande.
Línea 10: potencia operativa total del paquete cuando no hay demanda en el compresor. Esto es muy importante para calcular la eficiencia de un compresor de carga / descarga en condiciones de carga parcial.
Línea 11: potencia operativa a plena carga en kilowatts, medida a la presión operativa a plena carga. Incluye ventiladores, controles y cualquier otro dispositivo del paquete que utilice energía.
Línea 12: la potencia específica del paquete es la cantidad de kilowatts necesarios para producir cien (100) CFM. Cuanto menor sea el número, más eficiente será la máquina.
Línea 13: eficiencia isentrópica, que se explicará más adelante. Cuanto mayor sea el número, más eficiente será el compresor de aire. La figura A es el formato de la hoja de datos de velocidad fija actual. Las hojas de datos originales, que comenzaron en 2002, tenían menos información.
Eficiencia isentrópica del compresor de aire
El termino de potencia específica, en la hoja de datos, es un cálculo destinado a mostrar los compresores más eficientes. El cálculo es: (paquete total KW x 100) / CFM. Cuanto menor sea la potencia específica, más eficiente será el equipo. El uso de potencia específica para la comparación funciona perfectamente si los compresores tienen la misma clasificación de presión de carga completa. El problema es que muchos de los fabricantes de compresores clasifican sus compresores a diferentes presiones, como se muestra en la siguiente tabla:
La Ley de Política y Conservación de Energía (EPCA) cubre ciertos equipos comerciales e industriales, incluidos los compresores, para los cuales el Departamento de Energía (DOE) está autorizado a establecer estándares de conservación de energía. El DOE ha determinado que EPCA cubre los compresores de aire comerciales e industriales y ha estado considerando estándares de conservación de energía y procedimientos de prueba para dicho equipo. En enero de 2020, el DOE publicó un aviso del Registro Federal de la regla final relacionada con los estándares de eficiencia energética para compresores, titulado 85FR1504. CAGI y sus miembros apoyan plenamente el uso de la eficiencia isentrópica como estándar de comparación en la eficiencia de los compresores. La forma más sencilla de definir la eficiencia isentrópica se muestra a continuación:
Este cálculo isentrópico se basa en el funcionamiento a plena carga solo para compresores develocidad fija. La eficiencia isentrópica más alta publicada actualmente es de alrededor del 92% y la más baja alrededor del 50%. En general, las máquinas de más de 100 HP tienen una eficiencia isentrópica media más alta que las de menor potencia a 100 HP. Esto se debe a que los compresores de dos etapas generalmente comienzan a partir de 100 HP y tienen eficiencias isentrópica más altas. Con la eficiencia isentrópica, un usuario puede comparar un compresor de 100 PSI con una máquina de 150 PSI para ver cuál es más eficiente. A partir de julio de 2020, todos los miembros de CAGI que participan en el programa de verificación de desempeño tienen la eficiencia isentrópica publicada en sus hojas de datos de CAGI. Por encima de 250 HP, no se requiere eficiencia isentrópica en las hojas de datos, por lo que usamos eficiencia isentrópica calculado para esta comparación. La Figura No.3 muestra una comparación de compresores de 100 HP a presiones diferentes. Estos están ordenados por las eficiencias isentrópica. Como puede ver, una potencia específica más baja no necesariamente indica una eficiencia isentrópica más baja. La figura 4 muestra la misma comparación de compresores de dos etapas y en general tienen una mayor eficiencia isentrópica.
Las comparaciones de eficiencia isentrópica mantendrán a la industria del aire comprimido trabajando para mejorar la eficiencia, lo que a su vez ahorrará mucha energía en el futuro. Algún día, es posible que el DOE o los gobiernos requieran un nivel mínimo de eficiencia isentrópica para que se venda un compresor.
