El aire comprimido es uno de los insumos energéticos más utilizados en las industrias, especialmente en aplicaciones que poseen componentes neumáticos, siendo tan fundamental como el agua, el gas natural y la energía eléctrica.
Debido a la dependencia del aire comprimido para permitir la operación de estos procesos, el compresor se clasifica como un activo de alta criticidad y requiere una atención especial cuando se trata de mantenimiento. Conoce todo sobre la matriz de criticidad para determinar la importancia de tus activos.
En este artículo, te ayudaremos a comprender los fundamentos del proceso de compresión, las fallas más comunes de los equipos y cómo crear un plan de mantenimiento efectivo para evitar fallas inesperadas.
Los compresores de aire en las industrias
El uso de sistemas neumáticos presenta características interesantes en comparación con otras tecnologías similares basadas en soluciones mecánicas, eléctricas y electrónicas.
Estos sistemas ofrecen ventajas operativas y de mantenimiento gracias a la simplicidad de su tecnología.
Por esta razón, el aire comprimido se utiliza ampliamente en diversos sectores y en una gran variedad de aplicaciones industriales debido a su versatilidad, confiabilidad y seguridad.
Los componentes neumáticos, como válvulas solenoides, actuadores y PLC’s, pueden instalarse en casi todo tipo de procesos. Su versatilidad permite una fácil operabilidad y automatización del sistema.
Las operaciones basadas en aire comprimido tienen menos piezas móviles que sus contrapartes eléctricas, lo que reduce la necesidad de intervenciones de mantenimiento y disminuye la probabilidad de fallas, haciendo que el sistema sea más confiable.
Ventajas de los compresores de aire
- Mayor seguridad en los procesos:El aire comprimido es un gas no tóxico y no inflamable, lo que permite una operación de bajo riesgo y reduce significativamente la posibilidad de choques eléctricos.
- Idóneo para industrias de alta calidad:En sectores como alimentos, farmacéuticos y electrónicos, el aire comprimido se utiliza ampliamente por el bajo riesgo de contaminación del proceso con partículas extrañas o aceite.
- Facilidad de integración con sistemas automatizados:Los compresores de aire se integran fácilmente con tecnologías avanzadas como PLCs y sensores inteligentes, facilitando la automatización de procesos y mejorando la eficiencia operativa.
- Reducción de costos operativos a largo plazo:Aunque la instalación inicial puede requerir inversión, los compresores de aire tienden a tener menores costos de mantenimiento y operación en comparación con tecnologías alternativas, gracias a su diseño simple y duradero.
Otras aplicaciones del aire comprimido en las industrias:
Principios de funcionamiento y tipos de compresores de aire
El compresor es un equipo cuyo objetivo es proporcionar aire comprimido a la presión adecuada y en la cantidad necesaria para satisfacer la demanda de los componentes neumáticos.
Cada aplicación tiene necesidades específicas de proceso, por lo que cada tipo de compresor, con sus diferentes variaciones, puede adaptarse mejor a las demandas de cada planta.
Existen tres tipos de compresores ampliamente utilizados en las industrias, cada uno con variaciones en topologías, tamaños y características particulares de sus sistemas auxiliares.
Compresor alternativo
La tecnología de este compresor se basa en el uso de un pistón que realiza el proceso de compresión de manera alternada y discontinua.
El aire a presión atmosférica entra en la cámara a través de la apertura de la válvula de admisión mientras el pistón se contrae. Luego, la válvula se cierra y el pistón comienza a avanzar, comprimiendo el aire dentro de la cámara hasta que la válvula de salida se abre, permitiendo la liberación del aire a alta presión.
Esta acción es impulsada por el movimiento rotativo de un eje, el cual puede ser accionado por un motor eléctrico o un motor de combustión. De este modo, la biela transforma el movimiento rotativo del eje en un desplazamiento lineal, moviendo el pistón verticalmente y realizando el proceso de compresión.
Muchos compresores cuentan con múltiples etapas de compresión, es decir, después de la primera etapa, el aire se comprime nuevamente para alcanzar presiones más elevadas.
El sistema de refrigeración es esencial en todos los tipos de compresores, ya que aproximadamente el 80% de la energía del proceso se convierte en calor y necesita ser gestionada. En los compresores alternativos, la refrigeración se realiza mediante sistemas de aire o agua.
Los compresores alternativos se utilizan en aplicaciones más pequeñas que requieren un caudal de aire bajo y presiones menores. Para aplicaciones más grandes, se recomienda el uso de compresores rotativos, que proporcionan una compresión continua y, por lo tanto, entregan una mayor cantidad de aire.
Compresor de Tornillo
El compresor de tornillo utiliza dos elementos giratorios helicoidales, es decir, en forma de tornillo con lóbulos complementarios que los identifican como macho y hembra.
Estos giran en sentidos contrarios y pueden tener números distintos de lóbulos. Si esto ocurre, tendrán velocidades de rotación diferentes. Por ejemplo, si el tornillo macho tiene 4 lóbulos y el hembra tiene 6, la velocidad de rotación del tornillo hembra será 4/6 de la rotación del macho.
Este movimiento rotativo es posibilitado por el motor eléctrico que, junto con un conjunto de engranajes y rodamientos, realiza este trabajo de manera continua. Profundiza sobre los motores eléctricos en nuestro artículo.
El aire atmosférico es aspirado hasta la cámara y es comprimido debido a la interacción con los tornillos. El volumen del aire se reduce, lo que eleva su presión, y finalmente es expulsado de la cámara.
Los compresores de tornillo tienen versiones lubricadas y libres de aceite. Los libres de aceite se utilizan en aplicaciones donde no puede existir riesgo de contaminación y realizan su refrigeración mediante sistemas de agua o en seco.
Otra característica fundamental del compresor de tornillo es la variación de su velocidad de rotación, lo que permite que el equipo adapte su entrega de aire comprimido en función de la demanda. Esto resulta interesante en aplicaciones con diferentes turnos de trabajo, ya que permite operar con cargas parciales de manera más eficiente.
Compresor centrífugo
El funcionamiento de este compresor consiste en un elemento giratorio con palas, llamado impulsor, que aspira el aire atmosférico y lo rota a alta velocidad, forzándolo a desplazarse radialmente debido a la fuerza centrífuga.
El impulsor rota el gas, aumentando su velocidad y presión, y luego fluye a través de la cámara circular (difusor) siguiendo un camino en espiral, donde pierde velocidad y aumenta su presión hasta llegar a la siguiente etapa.
Los compresores centrífugos cuentan con modelos de múltiples etapas de compresión, lo que permite entregar aire comprimido a presiones más altas. Además, pueden producir grandes volúmenes por minuto de forma continua, gracias a su diseño robusto.
Debido a que los compresores centrífugos tienen topologías más grandes, con múltiples etapas de compresión secuenciales, son capaces de entregar aire a mayores presiones y son más eficientes energéticamente.
Sin embargo, no funcionan bien con cargas parciales, por lo que es común encontrar en las industrias arreglos con diferentes tipos de compresores para manejar las variaciones en la demanda de aire comprimido.
Fallas en compresores de aire
Después de conocer los principios de funcionamiento de los compresores y sus componentes fundamentales, es hora de entender cuáles son las fallas más comunes que ocurren en estos equipos.
Fugas de aire
Las fugas de aire son, con frecuencia, una de las principales causas de falla en los compresores. Pueden ocurrir en diversos componentes como tuberías, mangueras, cámaras y conexiones, haciendo que el sistema sea menos eficiente y disminuyendo la producción de aire comprimido.
Filtros de aire obstruidos
Los filtros son componentes esenciales para el funcionamiento del compresor, ya que garantizan que el aire llegue al sistema de manera más pura, evitando que partículas extrañas afecten los componentes.
Las partículas de polvo e impurezas se acumulan en los filtros y, si no se eliminan, restringen la cantidad de aire que entra en el sistema, lo que puede afectar el rendimiento y potencialmente causar sobrecalentamiento.
Lubricación inadecuada
En los compresores lubricados, el mantenimiento del aceite es fundamental para garantizar el correcto funcionamiento de las partes móviles.
Con el envejecimiento, el aceite pierde su viscosidad debido a la exposición a ciclos de calentamiento y enfriamiento. Si se expone en exceso a la humedad, tiende a volverse más líquido y pierde sus propiedades. Por ello, las tareas preventivas que incluyen cambios de aceite y reemplazo de filtros deben planificarse y realizarse regularmente.
Problemas en los elementos
Los elementos son los componentes mecánicos que garantizan la funcionalidad del sistema. Debido a la complejidad de los movimientos y los fenómenos físicos a los que están sometidos, pueden presentar defectos como desgaste, sobrecarga y bloqueos, lo que puede llevar a una falla en el compresor.
Estos defectos suelen emitir ruidos y vibraciones que indican la presencia de daños en los componentes mecánicos y requieren una evaluación de su integridad.
En general, el desgaste natural de los componentes ocurre debido a los contactos y movimientos, pero puede producirse de manera prematura si las condiciones de operación no son adecuadas.
Algunas causas del desgaste prematuro incluyen:
- Sobrecalentamiento
- Presión excesiva del sistema
- Partes sueltas o desalineadas, como tornillos, correas y poleas
Otro problema que puede surgir debido a una instalación inadecuada de la fundación o la estructura de soporte es el exceso de vibración. Además, si la condensación es severa dentro de la máquina, la humedad puede provocar deterioro en los componentes internos.
Problemas en los rodamientos
Los rodamientos son esenciales para permitir el movimiento rotativo del eje y los elementos. Por esta razón, es fundamental garantizar su operación en condiciones adecuadas mediante un plan de lubricación completo.
Lee la guía completa sobre fallas en rodamientos.
¿Cómo evitar las fallas en compresores de aire?
Hemos visto que los compresores son equipos críticos para diversos tipos de procesos en muchos sectores industriales. Así, si ocurre una falla, pueden surgir innumerables consecuencias para la empresa.
Por lo tanto, lo ideal es trabajar con mantenimiento preventivo y predictivo para garantizar la confiabilidad de los activos y evitar las fallas.
El mantenimiento preventivo garantizará las condiciones adecuadas de operación de los sistemas y debe realizarse con frecuencia para mantener la integridad de los componentes.
Un plan preventivo debe incluir revisiones más completas como las de 1,000, 4,000 y 8,000 horas, que profundizan en las máquinas, pero las intervenciones más básicas como limpieza de filtros de aire, inspección de desagües, ventiladores y bombas no pueden ser descuidadas.
Por otro lado, los mantenimientos predictivos utilizan la recopilación de datos para evaluar el estado de los equipos y anticipar fallas antes de que ocurran.
Los compresores emiten señales de vibración y temperatura durante su operación debido al movimiento y fricción de sus elementos. El movimiento del pistón que golpea las válvulas, la interacción de los tornillos y la rotación de los rodamientos actúan como fuente de señales que se interpretan como una “música” que estos equipos generan durante su operación.
Estas señales proporcionan información sobre el estado actual del equipo, de forma que no es necesario detener la máquina para realizar una inspección y evaluar sus condiciones. Estas señales pueden ser captadas a través de sensores que se acoplan a la máquina y monitorean el equipo de forma continua y en línea.
El monitoreo en línea analiza todos los datos recopilados por los sensores, pero no todas las señales son útiles para la evaluación del estado del equipo. Por lo tanto, se utiliza una técnica llamada transformada de Fourier, que es un recurso matemático utilizado para interpretar señales en ambientes ruidosos.
De esta manera, es posible filtrar solo la información útil para el análisis e interpretar los datos de forma precisa. Con la transformada de Fourier aplicada, se genera el gráfico del espectro de frecuencias que ayudará en el diagnóstico del estado actual del equipo.
A continuación, tenemos un ejemplo en la plataforma TRACTIAN de un análisis de aceleración en el espectro de frecuencia en los tres ejes realizado en un compresor de tornillo. Así, es posible evaluar las frecuencias de rotación del tornillo macho, del tornillo hembra y de la interacción entre ellos.
Al observar la intensidad de las frecuencias armónicas en relación con la intensidad de las fundamentales, se percibe una baja vibración relativa, lo que indica un funcionamiento regular de ambos componentes.
Este gráfico es eficiente para realizar el diagnóstico, ya que cada componente posee una firma espectral única. A partir de ella, identificamos las características de vibración de cada componente individualmente.
Si los armónicos tuvieran vibraciones de alta intensidad, sería posible categorizar el problema, ya que cada tipo de falla tiene un perfil diferente de emisión de vibración. De esta manera, mediante este análisis, es posible identificar el tipo de falla en el compresor, como por ejemplo: desbalance, desalineación y desgaste en los rodamientos.
La plataforma TRACTIAN es la herramienta que interpreta estas señales recolectadas de las máquinas, transforma los datos en gráficos y presenta los análisis de forma simple e intuitiva para que el mantenedor pueda obtener la máxima información sobre sus activos.
En el gráfico anterior, ya en la plataforma TRACTIAN, se identificó mediante el análisis de tendencia una vibración RMS anómala con un incremento del 31% por encima del límite máximo ideal de operación. Esto puede haber ocurrido debido al desgaste o deterioro de rodamientos, reductores y engranajes.
Tan pronto como se detecta alguna anomalía o falla, el técnico recibe una alerta de la plataforma sobre su ocurrencia y puede tomar las medidas necesarias, evitando así una falla inesperada.
Con los datos recopilados y los diagnósticos del estado actual de los compresores, la intervención del equipo de mantenimiento se vuelve mucho más ágil, precisa y la operación de los equipos se torna más confiable.
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