Tips for increasing air compressor efficiency and reducing costs

Most industries rely on compressed air to power their most essential tools. Air compressors provide the power needed to drive robots, drills and other equipment on assembly lines, so making sure they are operating at optimum performance is one of the best ways to optimise the efficiency of a company's air compressors.

How can the efficiency of a compressor be increased?

1. Preliminary efficiency analysis of different types of air compressors
2. Understanding the factors contributing to air compressor inefficiency
3. Review the lack of control systems to help improve the efficiency of the air compressor.
4. Measuring the costs of an inefficient air compressor system to justify the investment

The power of compressed air makes it the perfect energy source for intensive applications, despite its inherent inefficiency. Most air compressors require four to eight times the horsepower of electricity to create one horsepower of compressed air. In addition, there are many factors that make air compressors less efficient over time as they are:

• Air with impuritiesAir containing dirt, dust or other impurities can cause dirt to build up inside an air compressor. This build-up wears parts and reduces internal volume, which can lead to increased costs for repeated air compressor maintenance.
• HumidityWater has a high specific heat, which means that it requires more energy to change its temperature. In addition, it accumulates inside the air compressor in the form of condensation and starts to rust the parts from the inside. Care must be taken to ensure that the incoming air is as cool and dry as possible to improve the efficiency of air compressors.
• Hot airHot air has a lower density than cold air. In turn, cold air is naturally more compressed than hot air, which means it is much more efficient to pump cold air into the air compressor. And that helps to increase the efficiency of air compressors, which leads to increased productivity.

Below we will explore and provide tips on how to increase the efficiency of air compressors. With this information, you will be able to improve the performance of air compressors and increase their service life, which will reduce energy costs and generate higher rates of return.

Efficiency analysis of different types of air compressors

Different types of air compressors are used in industry and understanding the differences between them is an excellent start for maximise the efficiency of air compressors.

The following are the most common types of air compressors in use today:

• Reciprocating compressorThese compressors use one or more pistons to compress the air. The upward and downward movement of the pistons compresses the air inside the chamber and then releases it into the tank. A system of valves allows air to flow in and out of these piston chambers.

• Screw compressorThis type of compressor uses a set of helical screws to compress the air. The compressor introduces air into the chamber and the helical screws push the air to a smaller and smaller volume, thus increasing the pressure of the trapped air. The same is true for other types of rotary compressors, such as rotary vane units.

• Centrifugal air compressorA set of radial blades compress the air in this type of device. These blades suck in the air through the centre and the high-speed rotation of the blades compresses it.

• Oil-free scroll compressorOil-free scroll compressors: Due to the number of moving parts and metal-on-metal applications within air compressors, they often require the use of oil to provide ample lubrication. Oil-free scroll compressors do not require continuous lubrication and are the tools of choice for many clean installations.

When it comes to air compressors, there are many different brands, each with unique designs and performance specifications. Buying the right type of compressor from a reputable company ensures a longer service life and a higher return on your investment.

What factors contribute to air compressor inefficiency?

To increase the efficiency of air compressors, it is necessary to know what factors degrade it. An air compressor is a co-dependent system of controls and design, and these systems relate to each other to provide an efficient system.

Let's look at the five factors that contribute to decreased air compressor efficiency, and how to rectify them.

1. Lack of control systems to help improve air compressor efficiency.

   The controls of an air compressor are the link between the compressor output and the load demanded. It is essential to match the controls to the capacity of the equipment. Compressors are built to deliver a certain volume of air over a specific pressure range, and the controls are what regulate their ability to stop when that designated range is reached. Conversely, they specify a minimum pressure at which the compressor must restart. Since sustained high pressure puts a system under greater stress, it is an advantage to have a tight control system that can deliver a constant, usable pressure closer to the minimum requirement than the maximum.

   These are some of them control systems for air compressors that can help increase the efficiency of equipment:

   • Start and stop controls: These command the compressor system to switch on and off, depending on the desired pressure.

   • Load/unload controls: These operate in conjunction with the start/stop controls, signalling the compressor to release pressure.

   • Modulating controls: A compressor must control its own needs, such as flow rate, and modulating controls allow the user to adjust this parameter. In comparison, multi-pass controls offer the possibility to operate without full pressure load.

   • Dual, self-dual controls: Offer the user the possibility to select between start/stop or load/unload switches.

   • Variable displacement: This parameter allows the compressor to operate under multiple part load conditions.

   • Variable speed drive: This control creates a continuum of power output at the motor, eliminating quantified output and allowing the motor to meet many different levels of demand.

   • System Master Controls: This is a set of controls for air compressors, providing the user with a more streamlined ability to increase the efficiency of the device. System master controls are useful for more complex systems where localised controls are not sufficient to manage the system. A good set of system master controls can even provide analysis and trending to help fine-tune the system.

   • Pressure and flow controllers: Function as a back-up energy storage, allowing access to a quick supply if there is a pressure drop.

2. Improving the overall system design increases the efficiency of the air compressor.

   The design of an air compressor is one of the most important factors in its efficient operation.

   Here are some tips for streamlining system design and increasing air compressor efficiency:

   • Proper sizing of the distribution systemThe size and material used for the compressed air distribution system can be critical to ensure adequate flow and pressure at the most remote points of use. The use of a smooth, non-corrosive material, such as aluminium piping, also helps to ensure adequate flow and pressure. If future expansion is planned, oversizing the distribution system in advance will save thousands of dollars down the road.

   • Reducir las curvas y los ángulos en el recorrido del flujo: La presencia de curvas pronunciadas aumenta la cantidad de fricción en el aire comprimido, lo que provoca su calentamiento y el desgaste de las piezas. Esta producción de calor resta energía al sistema y provoca mayores caídas de presión, lo que en última instancia se traduce en una menor presión en el suministro. Al enderezar la trayectoria del flujo, el sistema desperdiciará menos energía y durará más.

   • Evitar el desperdicio de calor con un sistema de recuperación. Los compresores de aire funcionan con un 10% de eficiencia, es decir, se pierde la mayor parte de la energía en forma de calor. Utilizando un sistema de recuperación de calor, se puede recuperar casi toda la energía perdida y utilizarla para calentar el espacio de trabajo u otras aplicaciones.

   • Utilizar un tanque de almacenamiento para suavizar la entrega de presión: Los tanques de almacenamiento facilitan la curva general de suministro de presión de aire al permitir que un suministro de aire complemente el sistema cuando sea necesario. Si se adquiere un depósito de almacenamiento, hay que elegir un tamaño adecuado para el compresor de aire, potencia y aplicaciones.

   • Vigilar que el aire entrante esté frío: Hay varias formas de enfriar el aire entrante, como por ejemplo con un intercambiador de calor, y hacerlo reducirá inmediata y drásticamente el consumo de energía.

   • Considerar la posibilidad de utilizar varios compresores de aire pequeños en lugar de uno grande: Cuanto mayor sea la carga de trabajo de un solo compresor, menor será su eficiencia. Se debe considerar la posibilidad de instalar varios compresores de aire más pequeños en lugar de uno más grande y de utilizar controles maestros del sistema para que trabajen de forma sincronizada. De este modo, cuando la carga disminuya, sólo algunos de los compresores estarán en funcionamiento.

   • Reducir o eliminar las fugas: La pérdida de aire comprimido debida a las fugas en el sistema de distribución no sólo da lugar a una menor presión en el punto de uso y a la ineficacia que esto puede causar, sino que también hace que el compresor funcione más tiempo y con más intensidad para intentar mantener la presión del sistema. Un sistema eficaz de gestión de fugas puede reducir el coste de funcionamiento del sistema de aire comprimido hasta en un 25-30%.

   Con las prácticas anteriores, se consigue que el compresor de aire sea más eficiente, además de reducir los costos del compresor de aire al disminuir la posibilidad de trabajos de mantenimiento no planificados.

3. Examinar las necesidades del sistema

   Con demasiada frecuencia, los compresores de aire están mal adaptados y mal ajustados a las necesidades reales de los dispositivos que alimentan.

   He aquí algunas formas de asegurarse de que el sistema no desperdicia energía:

   • Reducir el exceso de presión de su sistema: A menudo, un sistema que sólo necesita 60 psi para funcionar extrae 100 psi de un compresor de aire. Este aire extra no se utiliza, ya que el regulador evita que se dañe el equipo, y se descarga al final del periodo de uso. Se debe hacer coincidir la presión del sistema con la requerida por los dispositivos.

   • Cuantificar todos los requisitos exigidos al compresor: Si el compresor de aire alimenta varios dispositivos, se debe sumar la carga de presión máxima que requerirán. Este cálculo permite ver qué tamaño de compresor de aire se necesita.

   • Apoyar el sistema con tanques de almacenamiento de aire: Las aplicaciones en las que diferentes dispositivos contribuyen a los periodos pico se benefician del almacenamiento de aire adicional. Estos tanques sirven como depósitos de aire.

   • Conocer el perfil de carga del sistema: Un sistema de aire comprimido puede tener que satisfacer diferentes niveles de demanda dentro de un período determinado, y tiene que ser capaz de funcionar eficazmente con cargas altas y bajas. En muchos casos, es preferible utilizar varios compresores, o compresores equipados con variadores de velocidad o de frecuencia, para manejar perfiles de carga más complejos.

   • Reducir la presión del sistema: Trabajar con la presión mínima es una de las mejores maneras de aumentar la eficiencia del compresor de aire. Los pequeños aumentos de presión pueden suponer un importante gasto de energía, por lo que este debe ser un objetivo siempre presente.

   • Desglosar el sistema con diagramas de bloques: Para maximizar la eficiencia, se debe medir la presión de entrada en cada elemento de la cadena de aire. Esta medición incluye la caída de presión a través del dispositivo que separa el aire y el lubricante, además de la interetapa y los diferentes componentes. De este modo, se podrá ajustar el rendimiento de todo el sistema.

4. Reducción de la caída de presión

   La caída de presión se produce por diferentes razones, pero minimizar las fuentes no deseadas de la misma es uno de los mayores regalos que se puede hacer al sistema de compresores de aire.

   A continuación ofrecemos algunos consejos sobre cómo reducir las caídas de presión:

   • Utilizar tamaños de tubería adecuados: Cuando las tuberías entre los cabezales de distribución y el equipo están mal dimensionadas, se produce una ineficiencia. Hay que asegurarse  de que las tuberías pueden soportar los caudales máximos, no sólo la media.

   • Reducir la humedad: La humedad provoca condensación, lo que conduce a la oxidación, que a su vez provoca fugas y una mayor resistencia al flujo. Se debe cambiar los filtros de aire y mantener el equipo de secado para evitar la humedad.

   • Mantener los filtros limpios: Cuando la suciedad obstruye los filtros de aire, al sistema le resulta más difícil extraer el aire del interior y empujarlo hacia abajo. Esta situación provoca caídas de presión. Sin embargo, es fácil de evitar si se mantiene un programa de sustitución de filtros.

   • Procurar que las caídas de presión sean bajas: A la hora de comprar elementos como secadores, separadores, filtros, reguladores, lubricadores, mangueras, conexiones o refrigeradores posteriores, optar siempre por los que tengan la menor caída de presión posible.

   • Optimizar la trayectoria del flujo de aire: Cuanto más distancia deba recorrer el aire, mayor será la probabilidad de que se pierda. Se debe diseñar el sistema para mover el aire la menor distancia posible.

5. Seguir un programa de mantenimiento regular y disponer de un checklist para el correcto mantenimiento preventivo en compresores de aire.

   Tal vez la herramienta más importante para aumentar la eficiencia del compresor de aire a largo plazo sea programar fechas de mantenimiento regulares del compresor de aire. Debido a la cantidad de piezas móviles, la afluencia constante de aire y el intenso uso al que se someten las máquinas, es fundamental mantenerlo a punto. De lo contrario, factores como la condensación y la suciedad de los filtros desgastarán el sistema, provocando una afluencia de gastos de reparación.

   En primer lugar, las tareas de mantenimiento deben tratar de detectar las fugas. Las fugas son responsables de la gran mayoría de las pérdidas de aire y de los problemas de eficiencia. Incluso una pequeña pérdida puede suponer una enorme pérdida de energía en un compresor de aire, lo que supone un esfuerzo adicional para el motor y provoca un desgaste prematuro. La consiguiente caída de la presión de aire hace que las herramientas trabajen más y supone más tiempo para realizar el mismo trabajo.

   Para aproximar la cantidad de fugas en el sistema, se divide el tiempo de carga en minutos por la suma de los tiempos de carga y descarga, y se multiplica el resultado por 100. Si el producto es superior a 10, debe hacer que el sistema sea revisado en busca de fugas. Esta evaluación puede hacerse rápidamente y con precisión utilizando detectores de ultrasonidos. Reparar las fugas de forma oportuna y metódica, dando prioridad a las grietas más importantes y realizando comprobaciones periódicas de las demás.

   Como se ha mencionado, es importante mantener un calendario para cambiar los filtros y completar el mantenimiento regular. Dependiendo de la operación, este paso preventivo puede ser realizado por empleados formados en los procedimientos o por técnicos cualificados.

The costs of an inefficient air compressor system

Los sistemas de compresores de aire ineficientes implican un sobrecoste de varias maneras:

• Dinero: Los compresores de aire que funcionan según las especificaciones son rápidos, fiables y productivos. Cuando funcionan de forma ineficiente, la misma tarea que tardaba 30 minutos puede tardar ahora 40 minutos, lo que significa más horas de trabajo y un aumento de la factura eléctrica para hacer funcionar el equipo.

• Tiempo: La pérdida de tiempo también afecta a su cuenta de resultados al ralentizar la producción y disminuir el potencial de beneficios. Mantener los compresores de aire eficientes, operativos y en buen estado de conservación, garantiza mantener un buen programa de producción.

Debido a las pérdidas potenciales que un sistema de compresores de aire puede tener en una empresa, es fundamental seguir los pasos anteriores para optimizar a eficiencia de los compresores de aire. Algunos ejemplos incluyen la realización de un mantenimiento rutinario, la racionalización del diseño del sistema o la aplicación de políticas de la empresa para el uso adecuado de los controles del sistema de compresores de aire. Todo ello contribuye a reducir los costos de compresión de aire y a maximizar la eficiencia de los compresores de aire.