Redundancia integrada y desperdicio

Históricamente, cuando los costos de energía y la conciencia ambiental eran menores, no siempre se prestaba suficiente atención al consumo de aire de las máquinas. Los diseñadores solían seleccionar los actuadores neumáticos con criterios prácticos pero poco rigurosos: utilizar el mismo componente de un diseño anterior, elegir lo disponible en inventario, asumir que “se ve adecuado”, consultar una gráfica básica de presión y fuerza, y aumentar un diámetro “por seguridad”.

Como resultado, los actuadores de muchas máquinas antiguas están sobredimensionados. En esos casos, puede ser correcto disminuir la presión de operación para reducir el margen innecesario y el desperdicio de aire.

Dónde se consume el aire comprimido en una máquina

En una máquina, el aire comprimido no solo se utiliza para accionar cilindros neumáticos. Otros puntos de consumo habituales incluyen:

  • Generadores de vacío, boquillas y ventosas
  • Soplado de aire y pistolas de aire
  • Fugas y otras pérdidas

Cada uno de estos usos requiere una evaluación individual para optimizar tanto el desempeño como el consumo de aire.

Optimización del consumo con generadores de vacío

Los generadores de vacío neumáticos utilizan una boquilla Venturi, basada en el principio de Bernoulli, para crear vacío al acelerar el flujo de aire a través de una sección estrecha. Las boquillas pueden diseñarse para trabajar de manera individual o como elementos de un generador multietapa. Existen diseños específicos para alcanzar niveles altos de vacío, generar caudales elevados y lograr tiempos cortos de evacuación, o proporcionar una combinación de uso general.

Enviar aire comprimido a través de una boquilla y descargarlo directamente a la atmósfera puede representar un consumo muy alto. Los datos de catálogo indican la presión de alimentación óptima para alcanzar el caudal y la presión negativa requeridos. Con frecuencia, los generadores están diseñados para producir el nivel máximo de vacío con solo 4 bar. Aumentar la presión a 6 bar no genera un vacío más profundo, aunque sí incrementa el caudal.

Pistolas y chorros de aire

Los chorros de aire se utilizan para expulsar piezas de bandas transportadoras y alojamientos. El consumo energético puede optimizarse concentrando el flujo mediante boquillas o utilizando un depósito para aumentar la energía almacenada y aplicar pulsos muy breves.

Las pistolas de aire se emplean comúnmente para limpiar y retirar polvo y partículas. Además de representar un riesgo potencial, también pueden consumir grandes cantidades de aire. Las pistolas modernas incorporan un regulador que reduce la presión a solo 2 bar y una punta de seguridad con puertos de alivio.

Fugas y pérdidas

Las fugas deben eliminarse siempre que sea posible. Además, cuanto mayor sea la presión, mayores serán las pérdidas.

Los volúmenes muertos de los sistemas neumáticos también desperdician energía. Un ejemplo es llenar y desfogar, en cada ciclo del cilindro, tuberías largas o de gran diámetro. Instalar las válvulas cerca de los actuadores reduce la longitud de las líneas. Disminuir el diámetro de la tubería también puede ayudar; sin embargo, limita la presurización y, en mayor medida, prolonga los tiempos de escape. Por ello, el sistema debe simularse o calcularse para asegurar el desempeño requerido.

También existen pérdidas de energía debido a flujos no laminares y turbulentos. La fricción en las tuberías, los remolinos provocados por radios cerrados o dobleces, y los flujos supersónicos pueden generar pérdidas adicionales de eficiencia. Todos estos fenómenos se ven afectados por la presión de operación.

Opciones para máquinas nuevas

En el diseño y la construcción de una máquina nueva, reducir la presión de operación de 6 a 4 bar no necesariamente disminuye el consumo de aire. Si todos los componentes están correctamente dimensionados para la aplicación —no solo el actuador, sino también las tuberías, conexiones y la unidad de preparación de aire—, puede ser más conveniente mantener una presión mayor.

Por ejemplo, una máquina diseñada para operar a 4 bar requerirá cilindros de mayor diámetro para obtener la misma fuerza que una máquina a 6 bar. La tubería también necesitará un diámetro interior mayor para alcanzar el caudal requerido con un diferencial de presión menor. Por lo general, los actuadores, montajes, tuberías y conexiones de mayor tamaño cuestan más. Los cilindros más grandes también aumentan el peso de la máquina —un factor crítico cuando se suma a la carga útil de otros actuadores— y ocupan más espacio.

Entonces, quizá reducir la presión no resulte tan conveniente como parecía.

Cuándo reducir la presión genera un impacto importante

Si todas las máquinas y dispositivos conectados a un sistema de compresores pueden funcionar con una presión menor, es posible reducir tanto las presiones locales como la presión de toda la red. Los sistemas de compresores suelen estar optimizados para una demanda determinada de presión y caudal, por lo que este aspecto debe considerarse. Una presión menor en la red también reduce las pérdidas por fugas.

Las redes de aire deben responder a picos y fluctuaciones de demanda. Reducir la presión y la capacidad de caudal máximo puede ahorrar energía, pero también podría provocar caídas de presión y pérdidas de producción.

Ventajas de reducir la presión

  • Compensa el sobredimensionamiento.
  • Menor consumo eléctrico: si se reduce la presión a la salida del compresor, se requiere menos energía eléctrica.
  • Menores fugas: las pérdidas de aire disminuyen cuando se reduce la presión.
  • Menor presión en el retroceso: puede reducirse cuando no es necesario mover una carga o cuando la carga es menor.
  • Aplicaciones nuevas: en proyectos greenfield puede reducirse el consumo energético, siempre que todos los componentes se optimicen para trabajar con la presión menor.

Desventajas y riesgos de reducir la presión

  • Cilindros más grandes: un cilindro correctamente dimensionado deberá aumentar un tamaño si la presión baja de 6 a 4 bar.
  • Consumo equivalente: un cilindro bien dimensionado para 6 bar requiere la misma cantidad de aire que uno bien dimensionado para 4 bar.
  • Componentes de mayor tamaño: conexiones, tuberías, válvulas y unidades de preparación de aire también deberán ser más grandes.
  • Mayor espacio de instalación.
  • Mayor costo: en general, los componentes grandes son más costosos que los pequeños.
  • Desempeño del vacío: la mayoría de los generadores de vacío alcanzan su mejor tiempo de evacuación para un nivel definido de vacío a 6 bar.
  • Instalaciones existentes: en aplicaciones brownfield, es necesario analizar el sistema a detalle antes de decidir si conviene reducir la presión.

Enfoque integral de la máquina

El mejor enfoque consiste en trabajar con ingenieros de aplicaciones especializados que puedan apoyar la optimización de la máquina con base en todas las prioridades: desempeño, costo de construcción, costos durante la vida útil y eficiencia energética, entre otras. También es recomendable evaluar la solución completa y no únicamente una función a la vez.

Incluso afirmar de manera general que deben sustituirse los actuadores neumáticos por accionamientos eléctricos puede conducir a una decisión incorrecta. Por ejemplo, ¿tiene sentido instalar una pinza eléctrica sofisticada al final de un sistema pick and place si una pinza neumática puede realizar la misma tarea? A diferencia de las pinzas eléctricas, las neumáticas no consumen energía mientras mantienen una fuerza constante sobre el componente. En la mayoría de los casos, puede reducirse entre 50 % y 60 % de la masa.

Esta reducción es fundamental en el extremo del brazo, ya que permite disminuir el tamaño de todos los actuadores de soporte: rotativos y de los ejes X, Y y Z. El ahorro en el sistema completo puede ser considerable, tanto en los costos de adquisición como en los de operación.

Soporte especializado en aplicaciones

La recomendación es concentrarse en el resultado que se desea alcanzar y permitir que los especialistas de Festo apoyen la configuración de la máquina. Para ello, utilizan software de ingeniería que proporciona herramientas, datos y documentación para tomar decisiones informadas tanto a nivel de componente como de sistema.

Preguntas frecuentes Cómo ahorrar en los costos del aire comprimido

Una de las formas más eficaces de ahorrar es dimensionar correctamente toda la cadena neumática: desde el compresor, el secador y el tanque receptor, hasta la distribución y los elementos de trabajo, como unidades de preparación de aire, válvulas, tuberías, conexiones y actuadores. Es posible alcanzar ahorros de hasta 50 % en el consumo de energía y modelarlos con herramientas gratuitas como Pneumatic Sizing de Festo.

Cinco ejemplos de sistemas neumáticos

1. Válvulas neumáticas que conmutan actuadores, como cilindros, pinzas y dispositivos de sujeción.

2. Generadores de vacío basados en los principios de Venturi y Bernoulli, que producen vacío al hacer pasar aire comprimido por una boquilla. Se utilizan con ventosas en aplicaciones pick and place o para aspirar líquidos.

3. Sistemas de expulsión por aire para mover o retirar piezas.

4. Chorros de aire para secado.

5. Aire utilizado para generar presión de cabeza sobre líquidos durante su dosificación o bombeo.

Cómo reducir la presión del aire

La presión puede reducirse en toda la red, de modo que los compresores generen una presión menor o se desconecten al alcanzar un valor más bajo. El tanque receptor y la red de distribución pueden configurarse para trabajar a menor presión; por ejemplo, reducirla de 7.5 bar a 6 o incluso 5 bar. Si uno o varios puntos de uso requieren una presión mayor, puede instalarse localmente un multiplicador de presión, como el modelo DPA de Festo. Cuando un sistema fue diseñado con un margen excesivo, reducir la presión de operación disminuye directamente el consumo de energía.

Ventajas del aire comprimido

  • Alta densidad de fuerza: permite ejercer fuerzas elevadas en relación con el tamaño físico de los componentes y reducir el espacio ocupado por la máquina.
  • Ciclos rápidos sin generación excesiva de calor, lo que favorece una mayor productividad.
  • Tecnología sencilla, fácil de comprender y mantener.
  • Bajos costos iniciales.

Cómo dar mantenimiento a los sistemas neumáticos

Entre las acciones rápidas con mayor impacto se encuentran dar mantenimiento o sustituir periódicamente los filtros de las unidades de preparación de aire; detectar fugas mediante inspección auditiva o, preferentemente, con ultrasonido y repararlas de inmediato; y verificar que las tuberías no tengan dobleces ni restricciones. Estas medidas sencillas pueden reducir los costos normalmente entre 5 % y 10 %.