Manual de Aire Comprimido Kaeser

1.

Fundamentos de Aire Comprimido

1.1 1.2 1.3 1.4 1.5

Aire comprimido Antes y Hoy Unidades y Símbolos Estado Térmico Información Importante sobre el Aire Comprimido Sonido

2.

Produciendo Aire Comprimido

2.1 2.2 2.3

Tipos de compresores Compresores con desplazamiento positivo Compresores Dinámicos

3.

Tratamiento de Aire

3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 3.7

El significado de la Calidad del Aire Humedad, Condensado Enfriamiento del Aire Comprimido Separación mecánica inicial Métodos de secado Filtración VDMA Recomendaciones para Calidad de Aire Comprimido en la Industria Alimenticia

4.

Drenaje condensado y Tratamiento

4.1 4.2

Drenaje de Condensado Tratamiento de Condensado

5.

Distribución del aire comprimido

5.1 5.2 5.3 5.4 5.5 5.6 5.7

Estructura de la red de tuberías Caída de presión Medición de fugas Dimensionando de las tuberías de aire comprimido Elección de materiales Instalación de redes de aire comprimido Identificación de tuberías

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1

6.

Sistemas de control

6.1 6.2 6.3 6.4

Introducción Control interno del compresor Controladores Maestros Resumen

7.

Utilización de sistemas de recuperación de calor

7.1 7.2 7.3 7.4 7.5

Aplicación Recuperación de Calor de Compresores de Tornillo Utilización de aire de enfriamiento de escape para calefacción de espacios Calefacción con agua caliente Intercambiadores de calor

8.

Estudio Económico

8.1 8.2 8.3

Reparto de costes Configuración eficiente del compresor Cálculos económicos

9.

Planificando una Estación de Compresores

9.1 9.2 9.3 9.4 9.5

Estableciendo la Presión de trabajo Determinando la Demanda de Aire Planificando una Estación de Compresores Pequeña Planificando una estación de compresores Grande SIGMA AIR UTILITY

10.

Anexos y Normas de Seguridad

10.1 10.2 10.3 10.4 10.5 10.6

Símbolos gráficos Símbolos del Diagrama P + I La marca CE Normas Generales de Seguridad Lista de normas Estaciones Compresoras que cumplen con la Directiva de Equipos a Presión 97/23/EC Decreto sobre Salud y Seguridad Industrial

10.7

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1

1.

Fundamentos de Aire Comprimido

1.1

Aire comprimido Antes y Hoy

1.2

Unidades y Símbolos

1.3

Estado Térmico

1.3.1 Temperatura y capacidad calorífica 1.3.2 Presión 1.3.3 Volumen

1.4

Información Importante sobre el Aire Comprimido

1.4.1 1.4.2 1.4.3 1.4.4 1.4.5

Del aire atmosférico al aire comprimido Las leyes del gas Especificaciones de Volumen Cambio de estado termal en gases Aire comprimido en movimiento

1.5

Sonido

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1

1. Fundamentos de Aire Comprimido

1.1

Aire comprimido Antes y Hoy

Desde el inicio, el aire comprimido ha sido esencial para la vida humana. Los pulmones se pueden considerar como el primer compresor de desplazamiento. El volumen de los pulmones se agranda descomprimiendo el diafragma al inhalar y se reduce exhalando. La faringe restringe el flujo de aire, así el aire se comprime a una relación de 0,02 – 0,08 bar. Fig. 1-1 Human lungs

En la edad paleolítica, este flujo de aire comprimido se uso para encender fuego, soplando cuando se formo el brillo friccionando madera.

Para fundir metales se requería una corriente de aire más fuerte para mantener la temperatura por encima de 1000°C. Para este fin se uso durante la edad de bronce un bolso de fuelle; es decir trabajando el fuelle por mano o pie para proveer el chorro de aire necesario para alcanzar temperaturas que funden metal. Este fuelle se puede considerar como el primer compresor mecánico, reemplazando los pulmones como aparato para levantar la temperatura del fuego.

Heron, un científico de Alejandría, durante el primer siglo, fue el pionero en Ingeniería de aire comprimido. El inventó un mecanismo que permitía mover las puertas del templo de Alejandría. Usando los fuegos del templo para calentar el aire en un envase de presión semi-lleno con agua. El aire expandiéndose desplazo al agua. La fuerza del agua desplazada empujaba un mecanismo que abría las puertas del templo.

Syphon

Pressure vessel

Chain

Drive

Water tank

Fig. 1-3: Temple of Alexandria

Otra aplicación importante del aire comprimido era un sistema de transporte de objetos. En 1865 se instalo un sistema neumático en Berlín para transportar cartas y postales. En esta aplicación el aire comprimido se uso para empujar latas conteniendo las cartas y postales a través de una red de tubos subterráneos, conectando 90 puntos de distribución. El largo de la tubería alcanzo 400 kilómetros. El sistema era tan eficiente, que estuvo en uso hasta 1976. Hasta hoy muchos sistemas neumáticos de correo siguen en uso.

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1. Fundamentos de Aire Comprimido El aire comprimido es una herramienta esencial para la industria. Esta permite el transporte de energía a través de distancias para convertirlo en trabajo en su destino o punto final. Una de las fuentes más conocidas de aire comprimido son los compresores portátiles, cuya aplicación es en la construcción de calles, en la construcción, en minas, y en talleres. En estas aplicaciones los compresores portátiles proveen el poder para herramientas de rompe pavimentos, aplicaciones de pinturas, y otras herramientas de aire.

Fig. 1-4: Compresores Portatiles

Aire comprimido es indispensable en casi todos los procesos de fabricación industrial. Normalmente la industria mantiene una sala de compresores donde se encuentran los compresores y todos los elementos de tratamiento. Normalmente el aire comprimido es secado, filtrado, y almacenado en un estanque de presión. De este estanque de presión se alimenta la red de aire comprimido. A través de esta red se provee aire comprimido en una forma eficiente a las herramientas, maquinas y

Fig. 1-5: Estación de Aire Comprimido

estaciones de trabajo que requieren aire comprimido.

El aire comprimido es vital para una variedad de industrias incluyendo: -

Industria química Productores de Energía Hospitales Fábricas de Madera Fundiciones Moldaje de Plástico Agricultura e Industria Forestal Fabricación y procesamiento de alimentos Fabricación y procesamiento de Papel Textiles Ingeniería Ambiental Fabricación de Automóviles Industria Metalúrgica Fig. 1-6: Arenando

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1. Fundamentos de Aire Comprimido

Ejemplos de Aplicaciones Embotelladora Aire comprimido para el transporte es esencial para la industria alimenticia. Las normas de la industria alimenticia requieren que el aire sea seco y filtrado.

Salud Calidad, confiabilidad, y bajos costos de operación son factores importantes en la selección de plantas de aire comprimido para hospitales y clínicas, suministrando aire en todas las habitaciones, maquinas de respiración y otros artefactos.

Producción de botellas plásticas (PET) Se requiere aire seco y limpio con una presión de 40 bar para producción PET.

Pintado con pintura liquida o con pintura de polvo Para obtener resultados óptimos aplicando pintura liquida o pintura de polvo, el aire comprimido tiene que ser 100% libre de contaminantes.

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1. Fundamentos de Aire Comprimido

Más ejemplos de aplicaciones Deportes de Invierno Compresores de tornillo y compresores de pistón proveen el aire comprimido requerido por cañones de nieve. En estos cañones de nieve se mezcla el aire con el agua para la nieve artificial que provee la superficie de muchas pistas.

Tratamiento de agua Sopladores de lóbulo de alta eficiencia proveen grandes volúmenes de aire requeridos por los estanques de oxigenación y para desbloquear filtros.

Tratamiento Dental Compresores especiales proveen al dentista y su asistente con aire comprimido seco, higiénico, y libre de aceite.

Sitemas de control de incendios Aire comprimido se usa en los sistemas de control de incendios para aumentar la presión del agua.

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1. Fundamentos de Aire Comprimido

1

1.2 Unidades y símbolos Dependiendo de las diferentes culturas, las unidades usadas varían. Las unidades de volumen, por ejemplo, usadas en Europa son litros o metros cúbicos, mientras que en los EEUU se usan pulgadas cúbicas, pies cúbicos y yardas cúbicas. Las unidades y símbolos usados en este seminario siguen el sistema internacional SI, que define siete unidades de base y unidades derivadas de estos. Antes de hablar de la generación del aire comprimido y sus aplicaciones en los siguientes capítulos, es necesario definir algunas de estas unidades para evitar ambigüedades de lenguaje.

Unidad Base

Abreviación

Símbolo

l

[m]

Metro

Masa

m

[kg]

Kilogramo

Tiempo

t

[s]

Segundo

Electricidad

I

[A]

Ampere

Temperatura

T

[K]

Kelvin

Intensidad de luz

L

[cd]

Candela

Cantidad de sustancia

n

[mol]

Mole numero

Distancia

Nombre

Table 1-1: Base units of the SI system

Derivativo

Abreviación

Símbolo

Nombre

Fuerza

F

[N]

Presión

p

[Pa, bar]

Temperatura

T

[°C]

Trabajo

W

[J]

Joule

Potencia

P

[W]

Watt

Tensión Eléctrica

U

[V]

Volt

Resistencia Eléctrica

R

[Ω ]

Ohm

Frecuencia Eléctrica

f

[Hz]

Hertz

Newton Pascal, bar; (1 bar = 100.000 Pa) Celsius

Table 1-2: Derivativs (extract)

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1. Fundamentos de Aire Comprimido

1.3 Estado Termico 1.3.1 Temperatura y capacidad de calor Temperatura La temperatura de un gas es la medida de energía cinética de sus moléculas – mientras mas alta la temperatura, mas rápido se mueven. Aceptando eso, debe existir un punto de baja temperatura en que no se muevan mas las moléculas. Esta temperatura teórica es menos 273.15 grados en la escala Celsius, que se define por su punto 0. La escala Kelvin usa esta temperatura como punto cero, in este caso el punto de derretimiento del hielo es 273,15 grados Kelvin.

Boiling point of water

Fig. 1-15: Thermometer

Melting point of ice

t es indicado en [°C] T es indicado en [K] Capacidad de Calor

La capacidad de calor específica de una sustancia [kJ/kg K] tiene que ser conocida para describir esta energía térmica. Esta es la cantidad de calor necesaria para aumentar la temperatura de una sustancia de 1 K. Hay que considerar si la sustancia se calienta con el volumen constante (isochorica) o con la presión constante (isobárica). Capacidad de calor isochorica: cv 0.72 kJ/kg K

ejemplo: Temperatura del aire de una habitación cv =

Capacidad de calor isobarica: cp 1.01 kJ/kg K

ejemplo: Temperatura del aire de una habitación cp =

La capacidad de calor isobarica de una sustancia, es por lo tanto, mayor que la capacidad de calor isochorica. cp y cv se puede calcular con la ayuda del exponente isentrópico K

ĸ=

Cp Cv

La capacidad de calor Q, necesaria para calentar una masa de temperatura T1 a T2 se define por:

Q = m x c x ( T1 - T2 ) Q = cantidad de calor [kW] m = flujo de masa [kg/s] c = cantidad de calor especifico [kJ/kg K] T = temperatura [K] KAESER Compressed Air Seminar

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1. Fundamentos de Aire Comprimido 1.3.2 Presión Presión atmosférica (pamb) se crea por el peso de la atmósfera y varía según su densidad y distancia del centro de la tierra. La presión atmosférica normal a nivel del mar es de 1,013 bar, equivalente a 760 mm de mercurio (Torr). La presión atmosférica baja a medida que se aumente la altura.

Fig. 1-16: Presion de aire dependiendo de altura

Indicando presión hay que indicar si es presión absoluta o manométrica.

Presión absoluta pa pa es la presión absoluta medido de cero absoluto y se usa en todos los análisis teóricos, en tecnologías de vacio y soplado.

Presión manométrica pg pg es la referencia práctica e indica la diferencia entre la presión medida y la presión atmosférica

pa = pamb + pg Pg = pa - pamb

pamb

atmospheric pressure

absolute pressure (g)

vacuum 100% vacuum

(g)

(g)

(g)

gauge pressure

Pg

0%

Fig. 1-17: Relacion de presión manometrica, vacuum, y presión absoluta.

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1. Fundamentos de Aire Comprimido

Definición de Presión En general:

fuerza

F p =

presión = area

A

Dimensiones: 1 Newton

1N

1 Pascal =

1 Pa = 1 m2

1 metro cuadrado

F

Fig. 1-18: Representación de presión

Relación de Uni9dades: 105 Pa = 1 bar 1 MPa = 10 bar 1 bar = 14.5 psi 1 bar (g) = 14.5 psi (g) 1 bar = 10197 mm agua 1 bar = 750.062 Torr (mm mercurio)

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1. Fundamentos de Aire Comprimido 1.3.3

Volumen

El volumen V es el espacio ocupado por una sustancia con la masa m. V es una variable de estado y generalmente depende de presión y temperatura.

V = f (T, p) [m³]

La dependencia del volumen de la temperatura y la presión varia dependiendo de la sustancia. El volumen de sólidos y líquidos no varía mucho con relación a la presión, pero cambia considerablemente dependiendo de la temperatura. Gases por otro lado, tienen una relación casi lineal entre volumen y presión, y entre presión y temperatura.

T p

~

p x V ~ T V

La relación entre volumen, presión y temperatura es un hecho simple y puede ser ilustrado por el siguiente ejemplo. V

Un pistón de masa definida encierra un volumen de gas en un cilindro. Cuando se calienta el gas en el cilindro, el volumen del gas se incrementa, empujando el pistón hacia arriba. (Fig. 1-19)

m 2 m 1

T Fig. 1-19: Volume and temperature

V m 1

m

m

2

T = konst.

p

El cambio de volumen también ocurre cuando la temperatura se mantiene constante y la presión varia. En este caso, la temperatura del gas queda constante (representado por el cilindro inmerso en un líquido) y la masa del cilindro se incrementa. (Fig. 1-20).

Fig. 1-20: Volumen y presión

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1. Fundamentos de Aire Comprimido

1.4 Hechos importantes sobre aire comprimido 1.4.1 De aire atmosferico al aire comprimido Composición del aire La definición física y química del aire la explica como una mezcla de gases sin color, sin olor y sin sabor. La mayor parte del Volumen del aire es nitrógeno (78%) y oxigeno (21%). Uno por ciento del volumen es argon y existen pequeñas cantidades de dióxido de carbón y otros gases. La composición exacta se muestra en la tabla a la derecha.

Component

Volume percentage 78.08 20.95 0.93 0.03 0.018 0.00052 0.00015 0.00011

Nitrogeno Oxygeno Argon Dioxidio de Carbon*) Neon Como toda la materia, el aire se compone de Helium moléculas constantemente en movimiento y que se Methane atraen por las fuerzas moleculares. Moléculas de Krypton materia en el estado de gas mantienen relativamente una gran distancia entre si mismas y las fuerzas Monoxidio de 0.0001 moleculares entre si son relativamente bajas. Por Carbon *) Monoxidio de este hecho gases se expanden y llenan el volumen, 0.00005 encerrando este para ser mezclado con otros gases Nitrogeno *) 0.00005 presentes. El volumen de las moléculas es Hydrogeno *) Ozono *) 0.00004 comparativamente pequeño al volumen de los gases que componen las moléculas. Xenon 0.000008 Dioxidio de Nitrogeno 0.0000001 Iodine 2 x 10-11 Radon 6 x 10-18 El espacio entre las moléculas se puede reducir considerablemente, reduciendo el volumen del gas a una fracción de su volumen original. Cuando los gases se contienen, las moléculas colisionan con las paredes del contenedor, ejerciendo presión. La presión del gas se define por fuerza por área y se mide en bar. [%] 100 90 80 70 Force

En aire a una presión de 1 bar (presión atmosférica) y una temperatura de 0°C (273.15 K), las colisiones de las moléculas con las paredes del envase son aprox. 3 x 1023 por pulgada cuadrada por segundo. Si el gas contenido se calienta, la velocidad y energía cinética de las moléculas incrementa; impactando estas contra las paredes del contenedor, teniendo más fuerza y presión en su interior.

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Nitrogen

60 50 40 30

Oxygen Other gasses

20 10 0

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1. Fundamentos de Aire Comprimido Definición de Aire Comprimido Aire comprimido se entiende como aire atmosférico comprimido y es energía almacenada que se puede convertir en trabajo. Una forma simple de producir aire comprimido es con un Bombin en que el movimiento de un pistón en un cilindro comprime aire y produce calor. Este aire comprimido se puede usar para llenar la llanta de una bicicleta mientras que el calor va al medioambiente. Todos los contaminantes que estaban en el aire antes de la compresión se mantienen en el aire comprimido en la misma cantidad pero mas concentrados en un espacio mas pequeño. Fig. 1-23: :Air pump

1.4.2 Leyes del gas La ley del gas de Boyle-Marriotte define la relación entre presión y volumen cuando la temperatura queda constante.

p0 x V0 = p1 x V1

La ley de Gay-Lussac define la relación entre temperatura y volumen a una presión constante.

V0 T0

=

V1 T1

Estas dos leyes forman la “Ley de gases Ideales”.

pxV = R = const. T

p = presión [ bar (a) ] V = volumen [ m³ ] T = temperatura [ K ] R = constante del gas especial [kJ/kg K]

R es la cantidad de trabajo mecánico producido por 1 kg. de gas por cada aumento de un grado K en temperatura, mientras que la presión queda constante. R depende del tipo de gas. Raire = 0.287 kJ / kg K Si el volumen se mantiene constante y se incrementa la presión, por consecuencia la incrementa la temperatura. Si la presión se mantiene constante y se incrementa la temperatura, por consecuencia el volumen se incrementa. Si el volumen se mantiene constante y se incrementa la temperatura, por consecuencia la presión se incrementa. (Ejemplo: llantas de autos (coches))

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1. Fundamentos de Aire Comprimido

1.4.3 Especificaciones de Volumen Volumen Estándar Volumen estándar se define como el volumen de un gas, liquido o sólido en su estado físico estándar. El estándar de estado físico se define por DIN 1343.

Temperatura: 0 °C = 273.15 K

Presion: 1.01325 bar (nivel del mar) Humedad: 0 %

Un metro cúbico de gas a 0 °C y 1.01352 bar es definido un “metro cúbico estándar”.

Volumen Normal Si se trata de aire comprimido, los volúmenes se dan como volumen normal bajo de las condiciones ambiéntales, en lugar de usar volúmenes estándares. Las condiciones de referencia para medir el aire entregado de compresores son 20 °C, 1 bar(a) y 0 % de humedad, dado por ISO 1217. En la práctica, volúmenes normales son calculados tomando en cuenta las condiciones ambientales.

Volúmenes de entrega de un compresor de desplazamiento positivo (compresor de tornillo, reciprocante, paletas, lóbulo rotante) siempre se dan en volúmenes normales.

Presión salida

Temperatura entrada T1

Volumen salida l V

Presión de entrada P1 Humedad de entrada Frel 1

Temperatura salida T2

V2 x p2 x T 1 V1 = T 2 x p1 Fig. 1-24: Medición de volumen de entrega

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1. Fundamentos de Aire Comprimido Volumen de trabajo Es el volumen en la red de aire comprimido o almacenado en el tanque, que se encuentra bajo presión a una relación de compresión correspondiente. Su temperatura normalmente es la misma que el ambiente y su humedad depende del grado de tratamiento recibido. El peso de este aire es variable como es en el caso con el aire de volumen normal. Volumen efectivo de aire de entrada V0 x Presión de aire de entrada p0 Volumen de trabajo V1 =

Presión de trabajo p1

Umgebungsluftdruck 1 bar (a)

7 m³ volumen de aire atmosférico 7m³ a 1 bar(a) presión de ambiente atmosphärisches Luftvolumen

Presion de trabajo Betriebsdruck pressure 7 bar (a) =7 6 bar (ü) bares (a)

Fig 1-25: Volumen trabajando

= 6 bares (g)

1 m³ 1trabajando Betriebs-m ³

Varios formas de expresar el volumen En la práctica, se encuentran varias formas de expresar volumen. Para propósitos de comparación es útil incluir las condiciones actuales. La tabla da cuatro posibilidades básicas.

Temperatura a) Volumen en acuerdo con DIN 1343 (estado fisico normal)

b) Volumen en acuerdo con ISO 2533

Presión de aire

Humedad relativa

Densidad de aire

1.01325 bar

0%

1.294 kg/m³

0 °C = 273.15 K 15 °C = 1.01325 bar

0%

288.15 K

1.225 kg/m³

c) Volumen referido a condiciones ambientales)

Temperatura ambiente

Presión de aire de ambiente

Humedad de ambiente

Variable

d) Volumen referido a condiciones de trabajo

Temperatura trabajando

Temperatura de trabajo

Variable

Variable

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1. Fundamentos de Aire Comprimido Conversion de un volumen normal a un volumen estandard de acuerdo a la DIN 1343 En varias situaciones no es suficiente dar el volumen de aire entregado en volumen normal, por que se necesita el peso del aire. En estos casos es necesario convertir a “metro cúbico estándar” como se especifica en la DIN 1343. La ley básica de gases es la base del calculo:

V0 x TN x (pA - (Frel x pD)) VN =

Donde: (pN x T0) VN = Volumen estándar según DIN 1343 V0 = Volumen normal T0 = Temperatura ambiente in K TN = Temperatura según DIN 1343, TN = 273,15 K pN = Presión de aire según DIN 1343, pN = 1.01325 bar pA = Presión de ambiente en bar (a) Frel = Humedad relativa del aire del ambiente pD = Presión de saturación de vapor de agua en el aire en bar, dependiente de la temperatura del aire (ver tabla)

Tabla de presion parcial de vapor de agua en el aire Presión de saturación pD (bar(a)) a temperatura del aire t (˚C)

t

pD

T

pD

t

pD

-10 -9 -8 -7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 +1 +2 +3 +4 +5 +6 +7 +8 +9

0.0026 0.0028 0.0031 0.0034 0.0037 0.0040 0.0044 0.0048 0.0052 0.0056 0.0061 0.0064 0.0071 0.0074 0.0081 0.0087 0.0094 0.0100 0.0107 0.0115

+10 +11 +12 +13 +14 +15 +16 +17 +18 +19 +20 +21 +22 +23 +24 +25 +26 +27 +28 +29

0.0123 0.0131 0.0140 0.0150 0.0160 0.0170 0.0182 0.0184 0.0206 0.0220 0.0234 0.0245 0.0264 0.0281 0.0298 0.0317 0.0336 0.0356 0.0378 0.0400

+30 +31 +32 +33 +34 +35 +36 +37 +38 +39 +40 +41 +42 +43 +44 +45 +46 +47 +48 +49 +50

0.0424 0.0449 0.0473 0.0503 0.0532 0.0562 0.0594 0.0627 0.0662 0.0699 0.0738 0.0778 0.0820 0.0864 0.0910 0.0968 0.1009 0.1061 0.1116 0.1174 0.1234

Table 1-5: Partial pressure of water vapour in saturated air

El Volumen de entrega de los compresores de desplazamiento positivo siempre es relacionado al estado estándar físico. Condiciones locales extremas como alta temperatura ambiente, presión baja (relacionada a la altura) y humedad máxima se debe tomar en cuenta. KAESER Compressed Air Seminar

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1. Fundamentos de Aire Comprimido Ejemplo Conversión de volumen estándar a volumen estándar según DIN 1343. Una fábrica de tejido requiere 16 m³ por volumen estándar según DIN 1343 a 7 bar. Que compresor se requiere? Será suficiente un DSD 201, produciendo 20.86 m³/min a 8 bar. Condiciones ambientales Temperatura máxima ambiental: 40 °C Humedad relativa máxima: 65 % Presión atmosférica más baja: 1.018 bar Volumen de entrega de un DSD201 @ 8 bar: 20.86 m³/min

V0 x TN x (pA - (Frel x pD)) VN = (pN x T0) VN V0 T0 TN pN pA Frel pD

= = = = = = = =

Volumen estándar a DIN 1343 Volumen estándar Temperatura de la ubicación en K Temperatura según DIN 1343, TN = 273.15 K Presión de aire según DIN 1343, pN = 1.01325 bar Presión de aire en ubicación, en bar (abs.) Humedad relativa en la ubicación Presión de saturación de vapor de agua contenida en el aire en bar, dependiendo de la temperatura del aire. (ver pagina 15).

20.86 m³ x 273.15 K x (1.018 bar – (0.65 x 0.0738 bar)) VN = (1.01325 bar x 313.15 K)

VN = 17.41m³

Un compresor DSD 201@ 8 bar es suficiente.

Al agregar unidades de tiempo, el valor se puede expresar como Flujo de Volumen Estándar (VN) 17.41 ∙m³/min. El consumo de aire en términos de masa de aire, por ejemplo en kg. por unidad de tiempo, es dividido por la densidad del aire (1.294 kg/m³ según DIN 1343) para obtener un Flujo de Volumen Estándar en términos de metros cúbicos por unidad de tiempo.

mientras:

VN =

m

= Flujo de masa en [kg/min] = Densidad en [kg/m³], for air: 1.294 kg/m³

ρ VN = Flujo de Volumen Estándar en [m³/min] según DIN 1343 m

ρ KAESER Compressed Air Seminar

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1. Fundamentos de Aire Comprimido

1.4.4 Cambio de Estado en Gases Ideales Los cambios de estado en sistemas reales muchas veces son complejos. Se pueden simplificar, sin embargo, están relacionados a cambios de estado especiales, para eso se requieren las siguientes condiciones generales: -

-

Cantidad de particulas de un gas ideal constante. Sistema cerrado Gas en un cilindro tapado por un pistón Proceso controlado (presión y temperatura del gas siempre en equilibrio con la presión y temperatura del ambiente). Movimiento de pistón sin fricción. (proceso reversible)

Cambio de estado isotérmico Un cilindro con buena conductividad termica es ubicado en un deposito de calor de una gran capacidad de calor. El cambio de estado debería tomar lugar lentamente para asegurar el equilibrio de temperatura. Deposito de calor

p

Isotérmico T0 = T1

T1

p1 p0, T0 p1, T1

T0 p0

Transferencia de Calor

V1

V0

V

Fig. 1-26: Cambio de estado isotérmico

Si se disminuye el volumen manteniendo la temperatura constante, se aumenta la presión. Para compresión isotérmica, el calor completo tiene que ser transferido a los alrededores a través del depósito de calor. Al revés, en una expansión isotérmica, el calor debe fluir desde el ambiente para ser repartido.

La siguiente relación entre presión y volumen se aplica segun Boyle-Mariotte:

p0 x V0 = p1 x V1 = const.

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17

1. Fundamentos de Aire Comprimido Cambio de estado Isocórico El volumen de gas se mantiene constante por un envase de rigidez infinita.

p

p0, T0 p1, T1

Isocórico V0 = V1 1

p1 T1 0

p0

Transferencia de calor

T0 V0 = V1

Fig. 1-27: Cambio de estado isocórico t t h

V

Si se calienta el gas, se incrementa la presión. En el diagrama P-V, el estado isocórico es un movimiento vertical. El cambio de relación de presión es directamente proporcional a la relación de cambio de temperatura.

p0 p1

=

T0 T1

Cambio de estado Isobárico A un volumen de gas en un cilindro se ejerce una presión constante por la masa estática y constante del pistón.

p

m

Isobárico p0 = p1 0

p0, T0 p1, T1

1

p0 = p1

T1 T0

Transferencia Calor

de

V0

V1

V

Fig. 1-28: Cambio de estado isobárico t t h

Cuando se aplica calor a un gas, su volumen aumenta empujando el pistón hacia arriba. En el diagrama P-V, el estado isobárico es un movimiento horizontal. El cambio de relación de volumen es directamente proporcional a la relación de cambio de temperatura.

V0 V1

=

T0 T1

Das KAESER–Druckluft-Seminar

18

1. Fundamentos de Aire Comprimido

Cambio de Estado Isotrópico El cambio de estado isentrópico puede suceder en un sistema adiabático si se puede evitar cualquier transferencia de calor hacia afuera. En términos prácticos, el proceso pasa tan rápidamente que no hay tiempo para la transferencia de calor. Isentrópico también significa que el proceso es reversible.

p

Adiabático: completamente aislado y libre de fricción

p0, T0, V0 p1, T1, V1

1

p1

Adiabático o isentrópico p0 < p1 T0 < T1 V0 > V1

0

p0

T1 T0

V1

V0

Isotérmico V

No transferencia de calor

Fig. 1-29: Cambio de estado isotrópico

Si se reduce el volumen y no hay transferencia de calor, la temperatura y la presión aumentan. Como el calor de compresión aumenta el diagrama P-V es más inclinado que el diagrama P-V isotérmico;. Al reves, el gas se enfria en una expansión isentrópica (como en una descompresión en una boquilla). Temperatura, presión y volumen son vinculados por la formula siguiente:

ĸ

p0 x V0 = p1 x V1

ĸ

p = presión absoluta [Pa] V = volumen [m³]

ĸ

ĸ

ĸ

p01- x T0 = p11- x T1

ĸ

T0 x V01- = T1 x V11-

ĸ

ĸ

T = temperatura [K] cp ĸ = cv = Kappa

ĸaire

= 1.40

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1. Fundamentos de Aire Comprimido Cambio de Estado Politrópico Ambos, el cambio de estado isotérmico y el cambio de estado isotrópico son extremos y no ocurren en realidad. La compresión de gas en un compresor o la expansión en un motor son cambios de estado politrópicos.

Todos los cambios de estado descritos hasta el momento se pueden considerar como casos especiales dentro del caso general, el cambio de estado politrópico aplica de la siguiente forma:

T1 T0

p1

=

p0

n-1 n

V0

=

n-1

Con n como el exponente politrópico n=0 n=1 n=ĸ n=∞

V1

proceso isobárico proceso isotérmico proceso isotrópico proceso isocórico

El diagrama siguiente indica la potencia específica teórica requerida para la compresión de 1 bar absoluto.

n = 1,4 =

ĸair

n = 1,3 n = 1,1 Isentropico

n = 1,0

Isothermico

Relación de presión

Fig. 1-30: Influencia del exponente politrópico n sobre la potencia específica

En la compresión de aire, el exponente n llega a diferentes valores dependiendo del método de compresión usado, de la relación de compresión, y de la potencia específica necesaria para la compresión de una cantidad definida de aire en un momento dado.

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20

1. Fundamentos de Aire Comprimido 1.4.5 Aire comprimido en movimiento Flujo volumétrico V La tasa de flujo volumétrico conocido es la tasa de entrega del compresor y se indica en las siguientes unidades [l/min], [l/s], [m³/min] o [m³/h]. La tasa de flujo volumétrico se define como volumen por unidad de tiempo. Tasas de flujo solo pueden ser comparadas si son medidas bajo las mismas condiciones de temperatura de entrada, presión, humedad relativa, y presión en la medición.

Tasa de flujo Las leyes que se aplican al aire estático son diferentes a las leyes que se aplican al aire en movimiento.: V = Tasa de flujo volumétrico [m³/min] v = Velocidad [m/s] A = Área seccionada [m²]

dB(A) dB(A)

d1

d2

A2, v2

A1, v1

v2 > v1

V constante

Dp D p ~ v²

Fig. 1-31: Tasa de flujo con cambio de área seccionada

La tasa de flujo se deriva de siguiente fórmula:

Eso indica que la velocidad de flujo es inversamente proporcional al área particular seccionada.

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Longitud

V = A1 x v1 = A2 x v2

A1 A2

=

v2 v1

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1. Fundamentos de Aire Comprimido

Hay dos tipos de flujo; éstos dependen de la velocidad del fluido: Flujo laminar En el flujo laminar, las partículas del aire se mueven en paralelo. La velocidad disminuye del centro hacia la pared de la tubería. La velocidad cerca de la pared es cero; las partículas no se mueven. El flujo laminar solo ocurre a baja velocidad y/o en tuberías estrechas. Las pérdida de presión y transferencia de calor son bajos.

Fig. 1-32: Flujo laminar

Flujo turbulento En un flujo turbulento, que es más común, las partículas no mueven en paralelo y la estructura de la velocidad no es regular. Reflujos y remolinos ocurren y hay gran pérdida de presión y transferencia de calor. Pipe material

Turbulent flow

Boundary layer

Laminar flow

Fig. 1-34: Perfiles de velocidad de flujo laminar y flujo turbulento

Números de Reynold (Re) El número de Reynold ayuda a determinar si el flujo en una red de tubos es laminar o turbulenta. El número Re es influenciado por tres factores: w = Promedio de velocidad de flujo [m/s] di = Diámetro de la tubería [m] ν = Viscosidad dinámica [m²/s] Ejemplo. Aire a 1.0132 bares y 20 °C: ν = 15.10 x 10-6 m²/s

w x di Re =

ν

Si el número de Reynolds excede el valor critico (Recrit = 2.320) un flujo laminar cambia a un flujo turbulento.

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1. Fundamentos de Aire Comprimido Perdida de presión en un tubo Cada tubo presenta cierta resistencia al flujo de aire que fluye adentro. La resistencia es mucho más grande en flujos turbulentos que en flujos laminares y depende de cuatro factores: · · ·

·

Área seccional del tubo Velocidad del flujo Largo del tubo Calidad de la superficie de la pared del tubo (no tiene importancia en las velocidades encontradas en el ámbito del aire comprimido)

Presión en bar 1

2

Largo en mm

Fig. 1-35: Perdida de presión incrementando el largo del tubo

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1. Fundamentos de Aire Comprimido

1.5 Sonido Sonido es lo que interpreta su cerebro con cambios minúsculos en presión del aire tocando el oído. El sonido viaja a través de un medio como gas o líquido en forma de olas longitudinales, moviendo las moléculas del medio, adelante y atrás y así creando áreas de presión. La velocidad del sonido a través del aire a nivel del mar y 20 °C es 343 m/sec.

Presión del sonido Presión del sonido es el nombre dado a variaciones de presión en un medio que transmite sonido. La presión del sonido ejerce una fuerza sobre un área y por tal motivo se puede expresar en Pascal. (Pa) (10-5 bar). En este sentido la distancia de la fuente del sonido es crítica. El sonido ambiental en un dormitorio tranquilo en la noche tiene una presión de sonido de 6.3 x 10-4 Pa, mientras la presión del sonido de la turbina de un avión a una distancia de 30 metros puede ser 200 Pa. Nivel de presión de sonido (Lp) El nivel de presión de sonido Lp indica la relación de la amplitud de la presión del sonido a un nivel de referencia de cero dB (Decibel) (pR = 20 µPa = 2 x 10-5 Pa). El Decibel del nivel de la presión del sonido (dBSPL) es, por ende, una relación sin dimensión a un nivel de referencia, el umbral del oído del ser humano a su frecuencia más sensitiva. Ponderación del nivel de presión de sonido (A) Las curvas de frecuencia de ponderación son usadas para tomar en cuenta el hecho de que el oído humano percibe una diferencia en la fuerza entre tonos de la misma intensidad pero frecuencia diferente (Fig. 9-31). Comunmente se utiliza la siguiente fórmula: peff A LpA = 20 log

in dB (A) pR

El peff A es el valor efectivo de la presión del sonido y se puede medir fácilmente con medidores de presión comerciales.

Fig. 1-36: Sound pressure level without A filter

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1. Fundamentos de Aire Comprimido Volumen (Fuerza del sonido) El oido humano no tiene la misma sensivilidad a todas las frecuencias y los niveles sonoros no pueden equipararse a la percepción de volumen. El volumen es un valor subjetivo medido en Phon e indica en promedio, que tan fuerte oímos un sonido. Un aumento de la presión acústica de 10 dB se percibe como una duplicación del volumen. Dos fuentes de de igual nivel de sonido producen un nivel combinado de 3 dB superior a la misma fuente. Nivel de potencia acústica LWA” El nivel de potencia acústica indica, por ejemplo, el ruido producido por un producto en determinadas condiciones de operación. La potencia acústica de una fuente de radiación puede ser determinada por la medición de campo libre. Mientras que el nivel de presión acústica indica el valor de la presión acústica de un campo de sonido en un determinado lugar, el nivel de potencia acústica da a la emisión de ruido de una fuente. Si el nivel de presión acústica en una determinada distancia de la fuente es conocida, la potencia acústica de la fuente puede ser calculada.

El "nivel de potencia acústica" se calcula de la suma de los "niveles de presión acústica" y la superficie de medición Ls.

LWA = LpA + Ls LpA es el promedio “nivel de potencia acústica” en una superficie especifica, Ls es el superficie de la medición, donde Ls = 10 log (s / 1 m²) in [dB] s = es el tamaño de la superficie en m² (ejemplo a 4 m de radio de medición s = 100 m²) La superficie de medición Ls es el tamaño calculado que se agrega al “Nivel de potencia acustica LpA” medido. Medicion de campo libre El nivel de sonido de un compresor, por ejemplo, se determina con la ayuda de una medición de campo libre segun DIN 45635. La máquina se posiciona en un campo libre de un radio de 50 m, para evitar que refexiones de sonido entren a la medición. Un cubo imaginario envuelve la máquina en una distancia de un metro en todas las direcciones. Se calcula la superficie de este cubo imaginario y se definen los puntos de medición. Usando la formula de arriba, el “nivel de potencia acustica” se puede calcular, independiente de la distancia de la máquina, para definir la emisión de sonido del equipo

Cubo imaginario

1m 50 m

Fig. 1-37:Medición de campo libre

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25

2.

Produciendo Aire Comprimido

2.1

Tipos de compresores

2.2

Compresores con desplazamiento positivo

2.2.1 2.2.1.1 2.2.1.2 2.2.1.3 2.2.1.4

2-shaft rotary compressors Compresores de tornillo Ventajas de los compresores KAESER Compresores rotativos interdentados Sopladores Rotativos

2.2.2 2.2.2.1 2.2.2.2

Single shaft rotary compressors Compresores Vane Compresores Scroll

2.2.3

Compresores de Pistón

2.3

Compresores Dinámicos

2.3.1 2.3.2 2.3.3

Compresores turbo radial Compresores turbo axial Características de compresores turbo

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2. Produciendo Aire Comprimido

2.1 Tipos de Compresores Si estamos hablando de la producción de aire comprimido uno debe separar entre los dos principios de compresión; dinámica y desplazamiento positivo. Compresión dinámica Compresores dinámicos convierten energía cinética a energía comprimida. Propulsores aceleran el aire y difusores lo retrasan de nuevo, convirtiendo la fuerza centrífuga (peso) del aire a energía en forma de presión. El volumen de aspiración no está definido pero depende del peso y de la contrapresión. El desempeño de los compresores dinámicos es influenciado por las condiciones ambientales y el origen del gas para comprimir (oxigeno, nitrógeno, helio, hidrógeno). La humedad promedio, temperatura y presión del gas de entrada deben ser consideradas en el diseño de un compresor dinámico. Compresores de desplazamiento positivo En todos los compresores de desplazamiento positivo, el volumen entrante es incrementado al máximo, y luego se reduce nuevamente, apretándose entre sí las moléculas del medio creando una presión interna. Cuando en la cámara de c ompresión la presión excede a la contrapresión del tanque de aire o red de aire, la válvula de venteo se abre (en el caso de un compresor de pistón) permitiendo que el aire sea expulsado de la cámara. En otros compresores como tornillos rotativos, el aire comprimido por los tornillos ínter dentados es expulsado continuamente y a una presión constante sin la necesidad de una válvula de venteo. En este capitulo se describe los tipos de compresores mas importantes en detalle. Se debe recordar que n o todos son aptos para todas las aplicaciones y la seleccion debe ser realizada de acuerdo a la necesidad de una tarea específica, no unicamente desde el punto de vista del tipo de compesor sino tambien de acuerdo a la energía, costos de mantenimiento y confiabilidad de la operación.

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2

2. Produciendo Aire Comprimido Tipos de Compresores Compresores Dinámicos

Eyector

Axial

Radial Compresores con desplazamiento positivo Reciprocativo

Trunk

Crosshead

Piston libre

Labyrinth

Diafragma

Rotativos

1-eje

Paleta

Anillo Liquido

Scroll

2-ejes

Tornillo

Lóbulos

Fig.2-1: Tios de compresores

Meshing tooth

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3

2. Produciendo Aire Comprimido

2.2

Compresores con despalzamiento positivo

2.2.1 Compresores de tornillo con dos ejes 2.2.1.1 Compresores de tornillo Desarrollo de compresores de tornillo La idea de utilizar rotores en aire comprimido no es nueva. En 1878 Heinrich Krigar de Hannover, Alemania patentó un pequeño compresor de tornillo. La primera producción de un compresor de tornillo tenía un perfil simétrico y no podría lograr un cambio por su mayor costo específico, en esos tiempos el compresor de pistón era la única solución. Fig. 2-2: Perfil Simétrico En 1962 un perfil asimétrico de dos rotores fue desarrollado, resultando un mejor rendimiento (caudal), un 10%, pero aún el consumo en energía y el precio estaban mas alta que un compresor de buena calidad de pistón. Fig. 2-3: Perfil Asimétrico

El perfil SIGMA Ingenieros de KAESER lograron desarrollar un perfil asimétrico, SIGMA con el cual se eliminaron las previas desventajas de generaciones de compresores de tornillo. Incorporando este perfil de rotores en compresores de tornillo en conjunto con otras nuevas mejoras en diseño y un nuevo método de producción precisa, logran un gran ahorro en energía sobre los de la competencia (15 a 20% *) Compresores rotativos KAESER tienen un menor costo específico que cualquier otro compresor e incluyen todas las ventajas del principio de rotores conocidos hoy en día.

Fig. 2-4: perfil SIGMA

*) Confirmado por pruebas científicas de universidades y de la CAGI (Compressed Air and Gas Institut) Areas de aplicaciones Compresores rotativos de tornillo modernos se encuentra en dos áreas de aplicaciones: Compresores estacionarios para toda la industria o compresores portátiles en aplicaciones de minerías y manufacturas.

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2. Produciendo Aire Comprimido Produciendo Aire Comprimido con dos tornillos rotativos Un rotor macho y un rotor hembra girando en direcciones diferentes, generalmente llamados tornillos están ubicados en una carcasa; solo uno esta conectada al motor (macho) y el otro gira por la rotación del macho. Por la razón de di ferentes lóbulos las velocidades son diferentes entre los dos rotores. El aire entra entre los lóbulos y la carcasa y se mueve hacia la salida de aire comprimido. Debido a las diferentes velocidades se reduce el espacio y por lo tanto el volumen del aire. La entrega es continua y sin pulsaciones. Entrada de aire

Fig. 2-5: Vista desde arriba

Salida aire comprimido

Fig. 2-6: Vista desde abajo

Fig. 2-5: Un rotor macho y un rotor hembra girando en direcciones diferentes son montadas con rodamientos de polines dentro de la carcasa. Se inyecta aceite a la carcasa, disminuyendo el calor de compresión, previniendo contacto metálico entre los tornillos y también con la carcasa, y lubricando los rodamientos. Como los tornillos están girando, el espacio entre ellos y la carcasa cerca del orificio de entrada se abren empujando el aire hacia los espacios f ormados y estos espacios son sellados por la inyeccion de ac eite apenas pasa el puerto de entrada atrapando el aire (en la ilustración con sombra). Fig. 2-6: La diferencia entre los ángulos y la velocidad de los tornillos es la razón de la disminución de volumen, el aire comprimido es transportado hacia la salida, siempre y cuando se ha llegado a la presión diseñada. El flujo es empujado en forma continua y libre de pulsaciones hacia la salida. La velocidad del tornillo macho en un compresor directamente acoplado es de 1.500 o 3.000RPM. Además de la versión de compresores rotativos mencionadas arriba, hay también unidades enfriadas por agua y no lubricadas.

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2. Produciendo Aire Comprimido Diagrama de un compresor de tornillo lubricado Aire Comprimido (4)

Filtro de aire

(5) (3) (3)

Aceite frio (1)

(2)

Aceite caliente

Aceite frio

Filtro de aceite

Mexcla aire Aceite

Válvula Termostatica

La unidad compresora (1) esta conectada al motor eléctrico. El aceite (Lubricante para enfriar) inyectado a la unidad compresora y mayormente para enfriar, es direccionado hacia el estanque separador (2) y el filtro separador, asegurando aire limpio en la descarga. El ventilador (3) asegura un enfriamiento del equipo y también un flujo de aire frió hacia el enfriador de aceite y el postenfriador de aire (4 y 5). El controlador asegura que el aire esta producido dentro de sus limites (ej. 7 - 7,5bar). Funciones de seguridad protegen el compresor contra fallas importantes apagando el equipo automáticamente. El lubricante del compresor tiene 4 funciones :

1.

Enfriar; temperatura de descarga de la unidad ca. 75 °C

2.

Lubricación de los rodamientos

3.

Sellar lobulos

4.

Limpiar contaminantes en el aire

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2. Produciendo Aire Comprimido Partes de un compresor lubricado

13

10

6

1

Unidad Compresora

2

Motor compresor

3

Válvula de entrada

4

Válvula Mínima Presión/ Válvula Check

7

5

Válvula combinada

6

Enfriador de aceite con Válvula

3

12

termostática

1

2 11

7

Post-enfriador

8

Estanque separador con filtro separador

9

Válvula de seguridad

10 SIGMA Control 11 Acoplamiento Omega 12 Entrada de Aire 13 Filtro de Aire 14 Ventilador Radial 4 5 14

16

15 Soporte antivibración 16 Salida de aire comprimido

9

8

15

Fig. 2-8: Compresor lubricado CSDX

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2. Produciendo Aire Comprimido Compresor libre de aceite Compresores de tornillo libre de aceite, ej. donde ningún liquido esta inyectando a la unidad compresora, están utilizados en ciertas aplicaciones especiales. Los tornillos en es os nombrados compresores libre de aceite no tienen contacto entre ellos, si están sincronizadas con engranajes lubricadas. Para compensar la desviación de aire a través de los espacios entre los tornillos sin sellos, la unidad tiene una velocidad mucho mas alto que los compresores de tornillo lubricados. Equipos más grandes generalmente son enfriados por agua y generan mucho calor. · · · · ·

Dos etapas para llegar a la presión requerida por la razón que no tiene refrigeración por un medio de lubricante Tornillos sincronizados en cajas de engranajes separadas con su propio circuito de aceite Temperaturas de descarga desde 120 °C to 230 °C Arrastre de aceite en el aire comprimido hasta 2 mg/m³ dependiendo de la calidad de aire entrando al compresor Se requiere un tratamiento de aire adicional para llegar a la clase 3 de la ISO 8573-1

Ilustración de un compresor de tornillo libre de aceite de 2 etapas,

5

2 4 1

3

Fig. 2-9: 2-etapas, compresor de tornillo no lubricado

1. 2. 3. 4. 5.

Primera etapa de compresión, 4,000 – 13,000 rpm Segunda etapa de compresión, 7,000 – 25,000 rpm Primera etapa con engranajes (lubricado por aceite) Segunda etapa con engranajes (lubricado por aceite) Caja de engranajes principal (lubricado por aceite) Seminario de Aire Comprimido KAESER

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2. Produciendo aire comprimido 2.2.1.2

Ventajas de los compresores de tornillos KAESER

El mundialmente renombrado Perfil SIGMA Perfil de SIGMA es el perfil de rotor desarrollado y fabricado por KAESER KOMPRESSOREN GmbH. Compresores con el perfil SIGMA tienen un menor requerimiento de potencia especifica que los convencionales utilizando un perfil asimétrico. El requerimiento específico de energía se calcula dividiendo la potencia *) en kW por la entrega efectiva en m³ / min. *) Dependiendo del punto de referencia: potencia consumida en el eje del compresor, potencia en el eje del motor o el consumo total de potencia.

Fig. 2-10: Perfil SIGMA

Diseño simple unidad compresora La unidad compresora contiene dos partes rotativas: el rotor macho y el rotor hembra o simplemente tornillos. El rotor macho es conducido y este conduce a la hembra por lo tanto no hay engranajes de sincronización y ningún contacto entre metales debido a que es inyectado una película protectora de aceite. No hay una válvula de e ntrada o salida en el cual pudiera haber desgaste y la unidad entrega un volumen constante de aire comprimido y prolonga la vida operacional. Baja temperatura de descarga La temperatura de descarga es solamente de alrededor de 80°C, con lo cual no hay una tendencia a quemar el aceite. Baja temperatura de descarga desde el compresor La alta efectividad del post-enfriador reduce la temperatura del aire comprimido hasta 5-10 K sobre la temperatura de entrada (o sobre la temperatura de entrada del agua d e enfriamiento). Esto permite una conexión directa a un secador refrigerativo, sin necesidad de un enfriador intermedio. Menos arrastre de aceite El confiable separador de multi-etapa remueve aceite del aire comprimido asegurando una alta calidad del aire. Dependiendo del modelo, no mas de 1-3 mg/m³ de aceite remanente en la descarga de aire comprimido. Filtración de aire de enfriamiento (series SX a ASK) Compresores pequeños los cuales están instalados en talleres con aire contaminado son protegidos del polvo por paneles filtrantes limpiando el aire de enfriamiento, antes de entrar a la maquina. Bajo nivel de sonido Ductos insonorizados y gabinetes a prueba de ruidos, conllevan a extremadamente bajos niveles de ruido y permiten que esos compresores sean instalados en casi cualquier área de trabajo. Los niveles de ruido llegan a 64 dB(A).

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2. Produciendo Aire Comprimido SIGMA-CONTROL El controlador Sigma está basado sobre un robusto computador Fig. 2-11: SIGMA CONTROL industrial con un sistema operativo de tiempo real con la posibilidad de ac tualización. El estado operacional del compresor es rápidamente captado con la ayuda de LED’s con colores del semáforo. El display completo está presentado en 30 diferentes idiomas y es fácilmente navegable con botones e i conos. El SIGMA control regula y monitorea el compresor automáticamente. Una secuencia de seguridad apaga la maquina automáticamente en caso de un e vento de alarma. Un modo de control económico, puede ser seleccionado según los ciclos de consumos, es posible elegir entre Dual, Quadro y Vario (proporcional). El controlador está equipado con interfases RS 232 para conectar un MODEM o impresora y un RS 485 para conectarse a un Segundo compresor, secuenciando la carga base. El controlador tiene la capacidad de conectarse a una red de datos vía Profibus DP y también tiene contactos libre secos disponibles para intercambiar señales con un sistema de control central. Cadena de seguridad La secuencia de la cadena de seguridad, tiene la capacidad de apagar y supervisar: · Temperatura de descarga de la unidad compresora · Temperatura de motor y corriente · Dirección de rotación. Motor Premium de alta eficiencia El motor principal usado son de una eficiencia óptima y cumplen con los estándares de la norma EFF1 (EPACT) Bajas pérdidas de transmisión de potencia 1:1 Potencia es transmitida a través del acoplamiento directo o vía correas múltiples de alta eficiencia con tensionamiento automático en maquinas pequeñas. Mantenimiento simple El sistema de monitoreo incluye, indicadores que reciben información para simplificar el mantenimiento. Características especiales: - Indicación de filtro de aire saturado. - Indicación de filtro de aceite saturado. - Indicación de separador de aceite saturado. - Con la presión interna, ayuda a la evacuación del aceite. - Acoples rápidos simplifican el trabajo de mantenimiento. - Mirillas de aceite muestran el nivel de un vistazo - Engrasadores accesibles permiten el fácil re-engrase de los cojinetes de motor en movimiento (desde serie BSD) Potente sistema de ventilación El ventilador radial tiene la suficiente capacidad para extraer el aire a través de ductos. Soportes internos y externos anti-vibración Componentes especiales antivibratorios en soportes y acoplamientos de tuberías. Seminario de Aire Comprimido KAESER

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2. Produciendo Aire Comprimido 2.2.1.3

Compresores rotativos dentados

Aplicación Compresores de dientes rotativos son utilizados para baja y media presión y compresión libre de aceite. Diseño y función Igual que en compresores rotativos y compresores de paleta, los de diente rotativo funcionan bajo el principio de desplazamiento positivo El elemento de compresión consiste en una carcaza donde 2 perfiles dentados rotativos giran en forma opuesta. Estos rotores pueden ser simples o dobles según el fabricante. Los rotores no están en contacto metálico entre ellos en la pared de la carcaza. Al pasar un diente por la cámara interna, esta se llena de aire y posteriormente comprime Durante la rotación la cámara se contrae comprimiendo el volumen aire atrapado hasta alcanzar el orificio de descarga y el aire comprimido es expedido a la red.

Orificio de Admisión Orificio de Descarga

Características Lubricación de la cámara de compresión: no es necesaria, contacto es prevenido engranajes Caudal: 2 a 12 m³/min Etapas: 1a2 Rango de presión: 1-etapa hasta 3.5 bar, 2-etapas hasta 8 bar Revoluciones: 3,000 a 25,000 rpm Enfriamiento: aire o agua è Mas silenciosos comparados con compresores de pistón libres de aceite. Desventajas · Alto consumo eléctrico · Presión maxima 8 bar · Dos etapas necesarias para máxima presión con intercambiador de refrigeración.

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2. Produciendo Aire Comprimido 2.2.1.4

Sopladores rotativos

Aplicación Sopladores Rotativos son encontrados en aplicaciones donde se requiere gran volumen de aire libre de aceite, baja presión, como en el transporte neumático de polvo o granulado, limpieza de f iltros y aireación de estanques de agua y tratamiento de tanques. Otras aplicaciones son en ingeniería de vacio para limpieza por succión y accionamiento de maquinaria de ordeña. .

Diseño y funcionamiento de sopladores bi-lobulares Sopladores Rotativos pueden ser de etapa simple o 2-etapas y rotores interconectados en el principio de la compresión externa. Un volumen de aire (u otro medio gaseoso) es atrapado entre los lóbulos del rotor y la carcaza y transportado al orificio de des carga sin haber sido internamente comprimido. El orificio de salida el aire es empujado contra cualquier contrapresión en la línea de descarga, el grado de compresión es el diferencial en presión en el orificio de admisión y descarga, ej. Contra-presión en la línea de descarga.

Fig.2-15: Función del soplador rotativo

Características Caudal: Características de flujo: Número de etapas: Rango de presión: Conveying chamber lubrication: Accionamiento: Revoluciones: Velocidad rotor periférico:

hasta 1,200 m³/min 2 pulsaciones por ciclo* de operación 1a2 0.5 a 2.0 bar (absoluto) not necessary, as timing gears prevent contact motor eléctrico 300 a 11,000 rpm 10 a 50 m/s

(*Aplicable únicamente en rotores bi-lobulares)

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2. Produciendo Aire Comprimido Diseño y Funcionamiento de un soplador de 3 lobulos

Fig. 2-16: soplador rotativo de 3 lobulos

Los sopladores rotativos de 3 lobulos son un medio útil para la producción de aire comprimido con muy poco efecto de pulsación. El trabajo de este elemento se basa en el mismo principio de los equipos de 2 lobulos con un consumo de energía adicional.

Sopladores compactos La eficiencia juega un papel importante en las aplicaciones de sopladores, con la atención puesta en bajos costos de operación, baja energía específica y requisitos básicos de mantenimiento. La serie compacta de Kaeser requiere de un mínimo espacio y contribuye al ahorro con la reducción de gastos de instalación. La r educción de emisión de r uido en l a fuente significa menor gasto de amortiguación del ruido en la habitación y los equipos como tal son particularmente seguros y confiables.

Fig.2-17: Soplador Compacto Kaeser

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2. Produciendo Aire Comprimido 2.2.2

Compresores rotativos de eje único

2.2.2.1

Compresores de paleta

Aplicación Los compresores de paleta son usados en aplicaciones de bajas presiones y vacío. Diseño y funcionamiento Paletas se insertan en las ranuras longitudinales en u n rotor, montado en una carcasa cilíndrica. La fuerza centrifuga mantiene las paletas presionado contra la carcasa, que separa las cámaras de todo el rotor. Estas cámaras se expanden y contraen en volumen, colocando la máquina en la categoría de los compresores de desplazamiento. El puerto de entrada se encuentra en el punto en qu e las cámaras, formada por el rotor, paletas y gabinete, se están expandiendo en volumen. El aire es extraído y llevado por el rotor, siendo atrapado y comprimido por la contracción de la cámara, hasta alcanzar el puerto de descarga donde el aire es empujado hacia la red de aire. Los compresores de paleta pueden ser de un a o varias paletas, de simples o múltiples carcasas y refrigerados por aire o agua. Pueden ser lubricados o inundadas de aceite y las paletas puede ser metálicas o de plástico.

Fig 2-18: Principio de compresor de paleta

Características Entrega: Características del caudal: Número de etapas: Rango de presión: Enfriamiento: Conducción: Velocidad: Velocidad perimetral de paletas:

0.2 a 180 m³/min Relativamente suave en comparación con el flujo de compresores de pistón. 1 ó 2, 2 son requeridas para presiones sobre 4 bar 1 a 10 bar manométrico y en vacío hasta 1 x 10-3 bar Aire, agua o inyección de aceite. Motor eléctrico o motor diesel en equipos portátiles. 400 a 3,600 rpm 12 a 20 m/s

Desventajas · Altos costos de mantenimiento debido al desgaste de las paletas. · Pérdida de eficiencia relativamente alta debido a la sustitución irregular de Paletas · Alto consumo de aceite (con aceite de lubricación fresco) · Limite de presión a 10 bar. · Máquinas con aceite de lubricación fresca y separador aireador, producen aire comprimido con un alto contenido de aceite. · Antieconómico a altas presiones.

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2. Produciendo aire comprimido 2.2.2.2 Compresores de espiral Aplicación Los compresores de espiral (Scroll) están especialmente indicados para bajo volumen, compresión de aire libre de a ceite y particularmente en la refrigeración del enfriamiento de ai re comprimido y sistemas de aire acondicionado. Diseño y funcionamiento La compresión se produce entre dos discos enfrentados con forma de espiral; un espiral es fijo y el otro posee un movimiento orbital. El movimiento orbital del espiral interior abre una cavidad en el punto exterior del espiral fijo, Donde el medio a ser comprimido es retirado. Más movimiento orbital mueve el volumen atrapado alrededor del espiral hacia su centro, comprimiendo en el camino y descargando desde el puerto en el centro del espiral.

1

2

4

3

Fig. 2-20: Principio compresor Scroll

Características: Caudal: Características de caudal: Rango de presión: Lubricación de la cámara de compresión: Velocidad:

Hasta 1.5 m³/min Ininterrumpido y sin pulsaciones Hasta 10 bar Ninguno Hasta 3,100 rpm

Desventajas · Alta temperatura media de descarga · Considerable deslizamiento a alta presión, lo que conlleva a un alto requerimiento de potencia específica.

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2. Produciendo Aire Comprimido 2.2.3 Compresor de Pistón Definición Compresores de Pistón son maquinas de desplazamiento positivo. Un pistón succiona aire y subsiguientemente lo comprime a través de un cilindro que esta encerrado en un lado por válvulas autoactivadas. Diseño y Función El movimiento hacia abajo del pistón crea un vació en el cilindro, resultando, que se succiona el gas (aire) hacia adentro a través de la válvula de admisión (1). En el movimiento hacia arriba, la válvula de admisión se cierra y el gas contenido en el cilindro se comprime hasta que la presión dentro del cilindro excede la presión de afuera de la válvula de descarga (2) y la abre por el diferencial de presión.

1

2

El movimiento reciprocante es cíclico, entregando aire comprimido en p ulsos. La torsión sobre el cigüeñal también es cíclica, subiendo y bajando de acuerdo a la posición del pistón.

El volumen aspirado del pistón es el producto de su área frontal y su carrera. El volumen aspirado es menor que el volumen del cilindro; la diferencia se conoce como espacio muerto.

Pérdidas · Volumen de entrada se pierde por válvulas o filtros tapados. · Pérdidas en la salida se producen por gas escapando por adelante del pistón.

Fig.2-22: Succión

Fig.2-23: Compresión

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2. Produciendo Aire Comprimido Espacio Muerto El “espacio muerto” representa una potencial pérdida de aire entregado y por tal motivo debe ser lo mas chico posible. El tamaño del “espacio muerto” o “perdida” depende de varios factores:

1 bar (abs) 8 bar

Espacio muerto Top dead centre

- Tolerancias de la fabricación - Espacio necesario para el funcionamiento de las válvulas. - Espacio necesario para acomodar la expansión longitudinal termal del pistón y de la manivela

Stroke Bottom dead centre

Perdidas de entrega causadas por el “espacio muerto” El aire comprimido en el “espacio muerto” no s ale de la cámara y se descomprime cuando el pistón esta en movimiento hacia abajo, hasta que su presión es menor que la presión fuera de la válvula de entrada. Eso es cuando se cree un vació y la válvula de entrada se abre entrando el gas en el cilindro durante el resto del movimiento del pistón hacia abajo.

1 bar

Decompresión

Fig. 2-24: Esapcio M t

8 bar (abs)

TDC

Stroke BDC

Entrega efectiva Pedidas de salida Calentamiento del aire entrante

Espacio Muerto Fig.2-25: Descompresión del gas en el espacio muerto

Perdida de presión de entrada Diagram 2-26: Composición del desplazamiento teórico

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2. Produciendo Aire Comprimido Tipos de compresores de pistón Los distintos tipos de compresores de pistones se distinguen por los siguientes criterios: - Número de etapas: simple o múltiple. - Según su forma de pistón: De cámara o Lisos. - Según si funcionan lubricados o secos (también llamado libre de aceite). - Según sus medios de transmisión: correa o acople directo. - Según el número y disposición de los cilindros - De acuerdo a s i entregan directo el aire comprimido o s i se combinan con (montado sobre) un estanque de aire. - Según si funciona al aire libre o en un gabinete insonorizado - Según el tipo de gas que comprime: aire, nitrógeno o helio. De una etapa de compresión Presión final de compresión en una carrera

Dos etapas de compresión Gas comprimido desde el primer cilindro pasa a través de un enfriador intermedio al segundo cilindro donde es comprimido hasta la presión final.

Fig. 2-28: Dos etapas de compresión

Fig. 2-27: Compresión de una etapa

Acción simple de compresión La compresión se genera una vez con cada revolución del cigüeñal (véase el ejemplo de una sola etapa de compresión) Doble acción de compresión La compresión se lleva a cabo dos veces con cada una de las revoluciones del cigüeñal (ver derecha). Fig. 2-29: Compresor de acción doble.

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2. Produciendo Aire Comprimido Eficiencia volumétrica de compresores de pistón

2-estapas

Eficiencia volumétrica λ (%)

Los compresores de una y dos etapas tienen diferentes eficiencias volumétricas, la razón es que el aire liberado en la primera etapa es enfriado antes de entrar en la segunda etapa lo que reduce la perdida de d escompresión de aire en el espacio muerto. El diagrama adjunto muestra las diferencias en la eficiencia volumétrica entre compresores de una y dos etapas. Cabe señalar que los sopladores son más económicos para compresión de baja presión. Otro punto es el elevado costo de adquisición de un compresor de pistón de dos etapas, por lo que suelen ser usados sólo para presiones por encima de 10 bares.

1-etapa

Presión p [bar (ü)] Fig. 2-30: Eficiencia volumetrica de un compresor de una y dos etapas

La eficiencia volumetrica es calculada con la siguiente formula: Eficiencia Volumétrica λ =

Entrega efectiva Desplazamiento teórico

Ventajas del compresor de pistón · Capacidad para comprimir todos los gases mas comunes. · Eficiente a presiones por encima de 15 bar. · Económico como recompresor (Booster) Desventajas

· ·

Mayor consumo de partes de desgaste Entrega de aire con pulsaciones.

Fig. 2-31: Compresor de una etapa

Compresores de pistón como recompresores (Boosters) Grandes sistemas de aire comprimido a veces requieren de aire a diferentes presiones. En tales casos, es económico para configurar el sistema global en el nivel más bajo de presión y utilizar un recompresor para proporcionar una mayor presión cuando sea necesario.

Fig. 2-32: Sistema de aire comprimido hasta 13 bar con un recompresor hasta 45 bar KAESER Compressed Air Seminar

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2. Produciendo Aire Comprimido 2.3 Compresores dinámicos 2.3.1 Turbo compresores radiales Aplicación Los turbo compresores radiales proporcionan constantes y grandes caudales a baja presión y se encuentran principalmente en la industria petroquímica, en el acero y la fabricación de automóviles Diseño y funcionamiento La forma geométrica de los alabes de la turbina, girando a gran velocidad, causa que el aire sea extraído a l o largo del eje del impulsor. Este aire es acelerado y arrojado hacia el exterior por la fuerza centrífuga. A medida que el aire a al ta velocidad sale del impulsor para entrar a la red o en la próxima etapa de compresión, el difusor la torna mas lento y su energía cinética la convierte en energía a presión. El requerimiento de potencia específica de los turbos compresores, como todos los compresores dinámicos, depende en gran medida de la densidad real del aire y su temperatura.

Aire

Aire

Eje transmisión Bild 2-33: Impulsor radial simplificado

Dirección de rotación y flujo de aire

Fig. 2-35: Representación simple de un turbo compresor radial de un solo eje

Fig. 2-34: 3D-depieze de un impeller

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20

2. Produciendo Aire Comprimido Características de un Turbo Compresor Radial Entrega: Características del flujo:

35 – 1,200 m³ / min suave y libre de pulsaciones

Numero de etapas: 1a6 Rango de presión: 3 – 40 bar Enfriamiento: normalmente enfriado por agua Lubricación cámara de compresión: Ninguna Propulsión: motor eléctrico o turbina a vapor Rango de velocidad: Velocidad periférica del impulsor:

3,000 – 80,000 rpm 80 – 300 m / s

Límite de bombeo Bombeo gráfico Regulación de la curva con P = constante

P

50%

80%

100%

V

Fig. 2-36: Regulación de un Turbo Compresor

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21

2. Produciendo Aire Comprimido 2.3.2 Compresor Turbo Axial. Aplicación. Se usan compresores de Turbo con impulsores axiales para producir volúmenes muy grandes de aire a presión baja. Ellos tienen una gama amplia de usos en generación de potencia eléctrica, los procesos industriales y en artefactos de aviación. Una aplicación típica está en la licuefacción de gas natural. Diseño y Función. Un compresor del turbo axial se compone de u na serie de i mpulsores esparcida con anillos de hojas de la guías estáticas. Los impulsores atraen y aceleran el aire que entonces impacta en las hojas estáticas y al frenarse se comprime. Cada juego sucesivo de impulsores y hojas acelera y frena el aire. La dirección de flujo es paralela al árbol del paseo.

Fig. 2-38: Despieze de un compresor turbo axial

Características de Compresor Turbo Axial. Entrega: Características de Flujo: Numero de fases: Rango de Presión: Refrigerando:

600 – 30,000m³/min Liso y impulso libre 10 a 25 0 – 6 bar Normalmente refrigerado por agua pero es posible refrigerar vía ductos Lubricación de cámara de condensación: Ninguno Transmisión: motor eléctrico o turbina de vapor Rango de Velocidad. 6,000 – 20,000 rpm Velocidad periférica del impulsor: 150 – 320 m / s

Das KAESER–Druckluft-Seminar

22

2. Produciendo Aire Comprimido 2.3.3 Caracteristicas de turbo compresores Comparación de compresores de tornillo y turbo compresores. Tornillo

Turbo

Versión normal – aire de refrigeración: libre de costo en refrigeración,limpieza simple.

Disponible sólo cuando es refrigerado por agua: medio de refrigeración muy caro, la calidad de el agua requiere a menudo un intercambiador de calor, costos de limpieza muy altos.

Necesita sólo un enfriador combinado para el Un compresor de tres etapas (8-10 bar) aire comprimido y circuito de aceite necesita dos etapas de refrigeración,un postenfriador (para el aire comprimido) y un enfriador de aceite No requiere base especial de montaje. Se requiere una basa especial según el tamaño de la máquina. Mando óptimo por la selección de compresores más pequeños para el manejo de carga,en combinación con un controlador maestro inteligente.

Rango de control aproximado. 80-100 %: para la entrega debajo de el 80% el aire que ha soplado fuera, de la primera fase, produce perdidas de energía y tiempo-limitado al 10 15 veces por hora aproximadamente.

No necesita bomba de aceite de lubricación Necesita bomba de aceite adicional para los adiciona para la maquina. rodamientos lisos: consumo de energía más alto. Se utilizan motores de t res fases El motor necesita un alto voltaje según la aprox.400V: partes de repuesto baratas y capacidad de la maquina: motores fáciles de reemplazar. principalmente especiales, largos tiempos de entrega para reemplazo y los costos altos. Datos de actuación según ISO 1217: Los datos de la actuación del fabricante claramente comprensible debido a la Norma normalmente se refiere a temperaturas de la entrada elevadas desde que el aire está más internacional. ligero en la temperatura más alta y la presión más baja considerando que la media temperatura anual en Alemania está alrededor de 10 °C que dan actuación más baja bajo las condiciones operacionales reales: la actuación óptima sólo puede sostenerse a la temperatura de agua de refrigeración óptima y cualquier elevación de esto produce un baja eficiencia.

Menos válvulas se requieren para el control El control y las técnicas de monitoreo más de la maquina. alto lo que la hace ser más cara (p.e. la temperatura productiva cambia): riesgo más alto de falla. Table 2-1: Comparación de compresores de tornillo y turbo compresores

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23

3.

Tratamiento de Aire

3.1

El significado de la Calidad del Aire

3.2

Humedad, Condensado

3.3

Enfriamiento del Aire Comprimido

3.4

Separación mecánica inicial

3.5

Métodos de secado

3.5.1

Condensación

3.5.1.1 3.5.1.2

Secadores refrigerativos Sobre Compresión

3.5.2

Difusión

3.5.3

Sorpcion

3.5.3.1 3.5.3.2

Secado por Absorción Secado por Adsorción

3.6

Filtración

3.7

VDMA Recomendaciones para Calidad de Aire Comprimido en la Industria Alimenticia

3.7.1 3.7.2 3.7.3

Maquinaria de empaque para alimentos y farmacéuticos Aire Comprimido en contacto directo con el producto Aire Comprimido Esteril

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1

3. Tratamiento de Aire

3.1 El significado del Tratamiento de Aire Las impurezas en el aire que respiramos generalmente no son visibles. No obstante, pueden tener efectos nocivos en el funcionamiento confiable de sistemas de aire comprimido o herramientas neumáticas. La pregunta de cual nivel de calidad de aire puede lograrse está siempre erroneamente relacionada con los diversos sistemas de produccion del aire comprimido. Especialmente discusiones en Bild 3-1: Verschmutzte Luft donde si la alta calidad del aire puede ser producida con compresores refrigerados por aceite o libres de aceite están basadas en una alta base emocional y están orientadas más a aspectos de mercadeo que a probar los hechos como tal. En los intereses del usuario final de aire comprimido, esto no puede ser enfatizado a tal punto que las discusiones sean influenciadas por emociones o perjuicios personales. Cada compresor - libre de aceite o refrigerado con aceite – puede ser comparado con una aspiradora gigante. Esta no sólo succiona oxígeno y nitrógeno, tambien todas las impurezas en el aire y de no ser tratado el aire pasará en una alta concentración a los sistemas de aire comprimido (fig. 3-2).

Aire Atmosférico

Aire Comprimido 7 bar

Fig. 3-2: Independiente del tipo de compreso, estos succionan aire contaminado y concentran estas impurezas varias veces

Así como las usuales partículas sólidas, altas concentraciones de aerosoles de aceite mineral, hidrocarburos, dióxido de sulfuro, cobre, plomo y muchas otras impurezas están presentes (Fig. 3-3 to 3-7). Bajo ninguna circunstancia se recomienda el contacto de esta peligrosa mezcla con productos sensibles o partes de máquinas. mg/m3 12 10 Fig. 3-3: Concentraciones de niebla de aceite en varias zonas de la planta

8 6 4

Gear grinding shop Drilling shop Turning shop Enclosed production

2 0 8

9

10

11

12

13

14

15

16

17

Time

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2

3. Tratamiento de Aire

ProporciónAnteil enin %%

40

30

20

10

0% 0-5µm

Fig 3-4: Partículas sólidas en el aire

5-10µm

10-20µm

20-40µm

40-80µm

Size Größe

Contaminantes como los hidrocarburos, dioxido de sulfuro y material particulado son también contenidos en el aire y son significativamente concentrados después de la compresión.

Hydrocarbons - content in the air (incl. CH4) Location: Ludwigshafen - town centre max. half-hour average 2004 in mg/m³ 3,000 2,500 2,000 1,500 1,000 0,500 0,000 Jan

Feb

Mrz

Apr

Mai

Jun

Jul

Aug

Sep

Okt

Nov

Dez

Okt

Nov

Dez

Fig 3-5: Hidrocarburos en el aire (incl. Aerosoles y metano)

SO2 - content in the air Location: Ludwigshafen - town centre max. half-hour averagee 2004 in µg/m³

120 100 80 60 40 20 0 Jan

Feb

Mrz

Apr

Mai

Jun

Jul

Aug

Sep

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Fig 3-6: Dioxido de sulfuro contenido en el aire

3

3. Tratamiento de Aire

PM10 Particulate matter content (particles < 10 µm) Location: Ludwigshafen town centre Monthly average 2004 in µg/m³

45 40 35 30 25 20 15 10 5 0 Jan

Feb

Mar

Apr

May

June

July Aug

Sep

Oct

Nov

Dec

Fig 3-7: Material Particulado contenido en el aire

Resultados de un deficiente tratamiento del aire Contaminantes como la suciedad, aerosoles y vapor de agua se encuentran en aire comprimido sin tratar. Si el aire comprimido no se trata, se tendrán serios resultados tanto en el sistema de distribución del aire como en los usuarios (herramienta neumática, etc). La tubería corroida y herramienta en mal estado llevan a altas pérdidas totales (ver figuras 3-8 y 3-9), como consecuencia se tendrán altos costos de reparación y tiempos muertos.

Fig 3-8: Atornillador estropeado

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Fig 3-9: Tubería corroida

4

3. Tratamiento de Aire

Estándar de Calidad de Aire Comprimido ISO 8573-1 Los Estándares internacionales ISO 8573-1 son de gran ayuda para seleccionar correctamente el sistema de producción de aire comprimido y su tratamiento. Reemplaza términos de calidad imprecisos como ”libres de agua”, “libres de aceite”, o “libres de polvo” por valores numéricos simples y los encaja en tipos de calidad según su definición. Esta tabla clasifica claramente los sistemas individuales de compresión en relación a la calidad del aire producido. En esta tabla, dependiendo de las condiciones operacionales casi no hay diferencia en contenido remanente de aceite en el aire comprimido producido por compresores de aceite y libres de aceite En lo referente a remoción de partículas, el compresor de tornillo lubricado tiene una ventaja en la calidad del aire debido a su filtro integrado 1µm. En cambio, cuando hablamos de contenido de humedad en el aire, ambos tipos de compresores son similares en la clase 6 porque ambos tipos pueden entregar únicamente aire con 100% de saturación de humedad

ISO 8573-1 Class

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9

Moisture

Solid particles / dust Max. particle count per m³ of particles i [ ]

0.5< d £ 1.0< d £ µm mg/m³ as specified by user 1 0 1,000 10 10,000 500 1,000 20,000 £5 £ 5

£ 0.1

0.1< d £

-

100 100,000 -

-

-

-

-

-

-

-

-

Pressure Dew Point (x=liquid water in g/m³ )

£ -70 °C £ -40 °C £ -20 °C

£ +3 °C £ +7 °C £ +10 °C

x £ 0,5 £ 40 £ 10 0.5 £ x £ 5.0 5.0 £ x £ 10.0 -

Oil content

mg/m³ £ £ £ £

0.01 0.1 1.0 5.0 -

Table 3-1: Lista de las diferentes clases de calidad en ISO 8573-1

En el año de 1974, el Instituto Americano de Petróleos señalo lo siguiente en la directiva del API RP 550: 1. En todos los casos, el aire comprimido utilizado en la industria petroquímica deberá ser secado con un secador hasta llegar a un punto de humedad exacto. 2. Deberá tener un filtro integrado para prevenir desgaste ocasionado por partículas. 3. El suministro de aire comprimido libre de aceite solo se puede asegurar con la utilización de un filtro de carbón activado tanto en los compresores refrigerados por aceite como en los compresores libres de aceite con el fin de separar los vapores de aceite del aire.

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5

3. Tratamiento de Aire

Fig 3-10: Calidad de aire que se logra con compresores refrigerados por aceite y libres de aceite.

Los sistemas de tratamiento de aire se instalan después del compresor siempre y cuando una calidad de aire precisa sea definida. Solamente los sistemas de tratamiento pueden garantizar y mantener una calidad de aire definida. Los sistemas de aire ilustrados difieren respecto al punto de rocío (PDP) requerido. El empleo de un secador refrigerativo es suficiente para garantizar un PDP de hasta +3°C, mientras que un secador desecante con un mayor consumo de energía, es requerido para PDP por debajo de 0°C. Los filtros deben ser usados cuando se requiera suministrar una mayor calidad de aire. En una fábrica convencional, un sistema de aire comprimido solo necesita un compresor, un tanque acumulador que funcione también como tanque separador de condensados y un secador refrigerativo. Esta no necesariamente debe tener un sistema complejo de filtros, esto reduce considerablemente el consumo de energía y las necesidades de mantenimiento. En contraste, filtros de partículas adicionales, filtros o torres de carbón activado y filtros estériles tienen que ser usados para garantizar la calidad de aire requerida, dependiendo de la aplicación: en el aire de instrumentos, aire de proceso o aplicaciones alimenticias. Esto es posible con una combinación de filtros y secadores y aplica para todos los sistemas de aire comprimido estándar.

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6

3. Tratamiento de Aire

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7

3. Tratamiento de Aire

3.2 Humedad y Condensado La mezcla de aire y vapor de agua es llamado humedad y esta puede variar entre los límites de aire seco y aire totalmente saturado.

Humedad La humedad describe el vapor de agua contenido en el aire atmosférico. Este es expresado por humedad absoluta y describe la cantidad actual de vapor de agua contenido en un metro cúbico de aire. En términos simples, frecuentemente hablamos de la humedad en el aire pero realmente nos referimos a la humedad relativa, la cual representa la relación de la humedad absoluta con la humedad máxima.

250 200 150 100 50

70

64

58

52

46

40

34

28

22

16

10

4

-2

-8

-14

0 -20

Humedad Máxima hmax [ g/m³ ]

Humedad máxima describe la cantidad de vapor de agua que un metro cúbico de aire puede sostener a una temperatura definida. Cuando el aire es saturado, por ejemplo, contiene la máxima humedad, la humedad relativa es de 100%. Con el incremento de temperatura, el aire puede capturar más humedad, como se muestra en el siguiente diagrama. En la práctica, la capacidad de absorción depende de la presión → unit [g / m³].

Punto de Rocío [ °C ] Fig 3-12: Maximum humidity in the air at corresponding dew points

Punto de rocío El punto de rocío del aire atmosférico a 1 bar(a) es llamado punto de rocío atmosférico. Describe el estado saturado al cual el aire tiene la máxima carga de humedad a una determinada temperatura. Si el aire se enfría por debajo de esta temperatura se formará rocío, por ejemplo, exceso de humedad condensará el agua del aire.

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8

3. Tratamiento de Aire

Demostración de punto de rocío y humedad Vamos a asumir que la temperatura en un cuarto es de 20°C con una humedad relativa del 60%. Si un vaso se llena con cerveza a una temperatura de 8°C, el aire alrededor del vaso se enfría y su humedad relativa disminuye. A la temperatura aún mayor que la de la cerveza con la cual se logra una humedad relativa del 100% el aire se satura. Este no puede manejar más humedad y el punto de rocío se ha alcanzado. En la medida en que continúe enfriándose, esta habilidad de contener humedad disminuye y se observa condensada en el exterior del vaso.

Fig. 3-13: Vaso cerveza con agua

de

El punto de rocío cambiará con las modificaciones de presión. Esto se llama presión de punto de rocío y se refiere al aire comprimido en su estado operativo. Cuando el aire es comprimido el punto de rocío se incrementa. Cuando el punto de rocío se alcanza, el aire se carga con la máxima humedad para esa presión y esa temperatura. Si la presión se incrementa o la temperatura disminuye se tendrá condensación. → Ver Tabla 3-2 Conversión de presión de punto de rocío en punto de rocío atmosférico (Fig. 3-14) El valor del punto de rocío a presión durante el proceso de expansión de un gas de una presión alta a una presión baja se puede encontrar en tres pasos: 1)

En la escala del punto de rocío encuentre la temperatura a la que el gas estaba seco [1], muévase horizontalmente hacia la izquierda hasta la presión a la cual el gas estaba seco [2]. 2) Muévase verticalmente hacia abajo desde este punto hasta la presión del gas cuando este se expande [3]. 3a) Muévase horizontalmente hacia la derecha desde este punto a la escala de la presión de punto de rocío y tome el dato del punto de rocío del gas expandido. [4]. 3b) Para determinar el punto de rocío atmosférico, muévase verticalmente hacia abajo desde el punto [3] a la escala de punto de rocío atmosférico y tome el dato de la temperatura de punto de rocío [5]. Ejemplo: Aire comprimido a 7 bar(a) con una presión de punto de rocío de +3°C tiene una presión de punto de rocío atmosférico de -23°C después de la expansión.

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9

3. Tratamiento de Aire 60

50

40 Presión en bar 30

20

2

1

0

-10

3 4

-20

Presión de punto de rocío °C

10

-30

-40

-50

-60

-70

-60

-50

-40

5

-30 -20 -10 0 Punto de rocío atmosférico °C

10

20

30

-70

Fig 3-14: Determinación del punto de rocío

Condensado Altas cantidades de condensado se acumulan cuando el aire es comprimido por un compresor. Por ejemplo, con aire libre entregado de 5 m³/min (referido a 20 °C, 70 porciento de la humedad relativa y 1 Bar absoluto de presion atmosférica) se bombean cerca de 30 litros de agua en la red de aire durante ocho horas de operación. 20 litros de esta agua se precipitan como condensados en el postenfriador (a 7 Bar de presion de trabajo y +30°C de temperatura de salida)

Fig 3-15: Compresor con condensado acumulado

Durante cualquier enfriamiento del aire comprimido los 10 litros remanentes se condensarán en cualquier punto del sistema de aire comprimido => Resultando en altos costos de mantenimiento, reparaciones e interrupciones de la producción.

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3. Tratamiento de Aire Acumulación de condensado en el secador e aire. El aire sale del postenfriador del compresor a +25 °C con 100% de humedad relativa (correspondiente a un punto de rocío de +25°C). Como se puede ver en la tabla, este aire contiene 22,83 g de agua por cada m3 de aire de trabajo. Se require una humedad residual de 0.117 g de agua por cada m³. Como se puede ver en la tabla 3-2, este corresponde a una presión de punto de rocío de -40°C, lo cual significa que el secador debe tener una retención de agua de Δx = 22.713 g/m³ .

Punto de Rocío °C +100 99 98 97 96 95 94 93 92 91 90 89 88 87 86 85 84 83 82 81 80 79 78 77 76 75 74 73 72 71 70 69 68 67 66 65 64 63 62 61 60 59

g/m³ 588.208 569.071 550.375 532.125 514.401 497.209 480.394 464.119 448.308 432.885 417.935 403.380 389.225 375.471 362.124 340.186 336.660 324.469 311.616 301.186 290.017 279.278 268.806 258.827 248.840 239.351 230.142 221.212 212.648 204.286 196.213 188.429 180.855 173.575 166.507 159.654 153.103 146.771 140.659 134.684 129.020 123.495

Punto de Rocío °C +58 57 56 55 54 53 52 51 50 49 48 47 46 45 44 43 42 41 40 39 38 37 36 35 34 33 32 31 30 29 28 27 26 25 24 23 22 21 20 19 18 17

g/m³ 118.199 113.130 108.200 103.453 98.883 94.483 90.247 86.173 82.257 78.491 74.871 71.395 68.056 64.848 61.772 58.820 55.989 53.274 50.672 48.181 45.593 43.508 41.322 39.286 37.229 35.317 33.490 31.744 30.078 28.488 26.970 25.524 24.143 22.830 21.578 20.386 19.252 18.191 17.148 16.172 15.246 14.367

Punto de Rocío °C 16 15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0

13.531 12.739 11.987 11.276 10.600 9.961 9.356 8.784 8.243 7.732 7.246 6.790 6.359 5.953 5.570 5.209 4.868

-1 -2 -3 -4 -5 -6 -7 -8 -9 -10 -11 -12 -13 -14 -15 -16 -17 -18 -19 -20 -21 -22 -23 -24

4.487 4.135 3.889 3.513 3.238 2.984 2.571 2.537 2.339 2.156 1.96 1.80 1.65 1.51 1.38 1.27 1.15 1.05 0.96 0.88 0.80 0.73 0.66 0.60

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g/m³

Punto de Rocío °C -25 -26 -27 -28 -29 -30 -31 -32 -33 -34 -35 -36 -37 -38 -39 -40 -41 -42 -43 -44 -45 -46 -47 -48 -49 -50 -51 -52 -53 -54 -55 -56 -57 -58 -59 -60 -65 -70 -75 -80 -85 -90

g/m³ 0.55 0.51 0.46 0.41 0.37 0.33 0.301 0.271 0.244 0.220 0.198 0.178 0.160 0.144 0.130 0.117 0.104 0.093 0.083 0.075 0.067 0.060 0.054 0.048 0.043 0.038 0.034 0.030 0.027 0.024 0.021 0.019 0.017 0.015 0.013 0.011 0.0064 0.0033 0.0013 0.0006 0.00025 0.0001

11

3. Tratamiento de Aire

Acumulación de condensados en el secador Se tiene un compresor con capacidad de succión de 1041 m³/h a una presión de 8 bar (g). La temperatura del aire de entrada es 28°C a una humedad relativa de 70%. La temperatura del aire comprimido es de 35°C. Primero, la humedad absoluta del aire es determinada en la Fig 3-16. Muévase desde la temperatura de entrada en el eje Y (28°C, punto [1]) a la derecha hasta la humedad relativa del 70% [2]. Muévase verticalmente hacia abajo al eje X desde este punto y determine la humedad absoluta del aire de 18 g/m³ [3]. Con el fin de determinar el volumen de condensado, extienda esta línea hacia abajo hasta la línea de temperatura del aire comprimido de 35°C [4] luego muévase hacia la izquierda desde este punto hasta la línea diagonal de la presión final de 8 bar[5]. Muévase verticalmente hacia arriba desde este punto hasta la parábola de humedad relativa de 18g/m³ que fue determinada anteriormente [6]. Muévase horizontalmente desde este punto a la derecha donde el contenido de humedad es 13 g/m³ [7]. De esta manera el condensado acumulado por hora es: 13 g/m³ x 1041 m³/h = 13533 g/h = 13.5 kg/h

20

30

40

50

60

70

80

90

100

50

Temperatura de entrada [°C] 40 90 80

90 80

30 1 28

2

70 60

60

50

50 40

40 30

30 20 18 10

7

6

20 13 10

20

10 e

70

Condensado (g/m³)

Humedad absoluta a las condiciones de entradax = (g/m³)

Humedad relativa [%] 10

0

3

10

18 20

30

40

50

60

70

Humedad absoluta x [g/m³]

80

90

4

13 12 11 10 9 8 7

5

50 45

6 5

40 4,5 4 35 3,5

3

30 2,5

2

1,5

1

0,5

Discharge pressure [bar]

10

15

20

25

Compressed air temperature [°C] Fig 3-16: Forma de determinar la acumulación de condensado

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3. Tratamiento de Aire

Por qué es importante tratar el aire? Las impurezas que generalmente respiramos no son apreciables a simple vista. A pesar de este hecho, estas pueden causar efectos negativos en el funcionamiento confiable de la red de aire comprimido y herramientas neumáticas. La calidad del aire puede también verse afectada debido al pobre tratamiento del aire. En algunas aplicaciones, el uso del compresor sin el correspondiente tratamiento del aire es prohibido por generar daños a la salud.

Problemas en la red: Corrosión Caídas de presión Contaminación Congelamiento Mantenimiento Problemas en producción: Contaminación Desgaste de herram Rechazos Tiempo muerto

Costos

Costos

Fig 3-17: Pérdidas debidas a falta de tratamiento

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3. Tratamiento de Aire

3.3 Post-enfriamiento del aire comprimido Inmediatamente después de la compresión, el aire tiene una temperatura de 80-200°C. Durante la fase de enfriamiento a la temperatura ambiente, altos contenidos de condensado se precipitan. Para asegurar que el aire comprimido no se enfríe en la red en donde el condensado puede causar serios problemas debido a la corrosión, el enfriamiento se desarrolla en el mismo compresor. Los compresores de tornillo modernos tienen integrado un intercambiador de agua a o de aire o llamado también post-enfriador. Se reduce la temperatura del aire comprimido y el contenido de agua y aceite en el aire es precipitado en condensado. Un efecto de post-enfriar el aire comprimido es que se condensa entre el 70 y el 80% del agua. Este condensado, el cual está mezclado con partículas de aceite, tiene que ser drenado por un separador. El volumen de aire disponible se reduce por la acción del enfriamiento, el cual, sin embargo, no representa pérdidas de energía debido a que el aire se enfriaría de todas maneras en la red. Normalmente se utiliza el enfriamiento por agua o aire. El enfriamiento por aire puede reducir la temperatura del aire comprimido de 5-20K sobre la temperatura ambiente utilizada para refrigerar, lo cual significa que la temperatura de salida estará entre 35 y 50°C en verano y entre 10 y 25°C en invierno. En un post-enfriador de agua, se espera generalmente un punto de rocío menor. La temperatura de salida que se puede alcanzar (correspondiente a la presión de punto de rocío) depende de la temperatura del agua de enfriamiento de entrada, la cual puede variar considerablemente (por ejemplo, una torre de enfriamiento puede entregar el agua a aprox. 30°C mientras que agua de grifo está entre 10 y 15°C). Un análisis de eficiencia de costos, el cual se afecta por las consideraciones anteriores, debe ser hecho en relación con el tipo de compresores escogidos.

Post-enfriador de aire comprimdio

Válvula termostática con filtro de aceite Flujo de salida de aire de enfriamiento

Flujo de entrada de aire de enfriamiento

Δt

Salida de aire comprimido

Enfriador de aceite Fig 3-18: Enfriadores del compresor de tornillo Seminario de Aire Comprimido KAESER

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3. Tratamiento de Aire

3.4 Separación mecánica inicial Para evitar sobrecargar el secador y/o incrementar el consumo de energía, se requiere una separación inicial de condensados entre el post-enfriador del compresor y el secador. Para esta labor se tienen disponibles varios equipos. Separador ciclónico Generalmente, un separador ciclónico que forza el aire en un movimiento circular se usa para separar el aire comprimido del condensado (turbulencia). Las partículas de suciedad grandes y las gotas de agua combinadas en el condensado se estrellan contra las paredes del separador por la fuerza centrífuga y caen al drenaje de condensados. El grado de separación que se logra es cerca del 95% a 6 bar, 20°C y el flujo nominal. La caída de presión es aproximadamente de 0.05 bar al flujo nominal.

Salida de aire

Air inlet

Plato deflector

Movimiento ciclónico del aire

Drenaje de condensados

Fig 3-19: Separador ciclónico

Tanque acumulador En los tanques acumuladores ocurre cierto enfriamiento del aire comprimido debido a la gran área de superficie resultando en una separación de condensados. El sistema de tratamiento de aire aguas abajo está menos cargado si se utiliza un tanque. El aire entra al tanque por la parte inferior y sale por la parte superior. El aire es forzado a fluir hacia arriba. Debido a la rata de flujo de aire en el tanque, los líquidos y partículas son recolectadas en la tapa inferior debido a la fuerza de gravedad y posteriormente expulsados por el drenaje automático.

Fig 3-20: Tanque acumulador

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3. Tratamiento de Aire

Filtros

En tuberías húmedas, justo antes de los usuarios de aire, se instalan filtros separadores de condensados con elemento filtrante (aproximadamente 50 µm de retención). El aire fluye a través del filtro mecánico (1), luego es guiado hacia abajo en un movimiento espiral alrededor del eje central del filtro. La fuerza centrífuga se incrementa por el plato de deflexión (2), esta estrella el agua y partículas pesadas contra las paredes del filtro (3). El agua separada y las partículas caen y atraviesan la placa desviadora (4) hacia el fondo, donde pueden ser drenadas manual o automáticamente. El aire fluye luego a través del filtro coalescente (5) a los consumidores.

1

2 3 5

4

Fig 3-21: Muestra de funcionamiento del filtro

Tubería Tubería dimensionada adecuadamente manejando flujo de aire con una velocidad menor a 3m/s puede también contribuir a la separación de condensado. En tuberías húmedas se debe tener cuidado de asegurar que el condensado no entre a los ramales o a los anillos secundarios. Un método de separación del condensados son las trampas de agua combinadas con un drenaje de condensado como se muestra. La alimentación y descarga del aire deben ser protegidas por tubería saliente por la parte superior o lo que se conoce como cuello de cisne. Trampa de condensado Cuello de cisne

Salida aire

de

Pendiente de aprox. 2 ‰

Trampa agua

de

Drenaje de condensados Fig 3-23: Tampa de agua con drenaje de condensaods

Fig 3-22: Drenaje de condensados en la red

Como se describe arriba, el condensado acumulado en una zona húmeda de la red de aire se debe a enfriamiento de la tubería y puede ser drenado a través de trampas de condensados. Esto es efectivo si de tiene en cuenta tanto su instalación como mantenimiento, también puede apoyarse por un sistema de manejo de condensados con mínimo costo y esfuerzo.

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3. Tratamiento de Aire

3.5 Métodos de secado De la misma manera como se genera condensado después de enfriar el aire, el vapor de agua remanente se condensará más adelante también. Esta humedad debe ser removida antes que el aire comprimido tome su rumbo a la red de distribución. El diagrama que se muestra a continuación indica los diferentes métodos de secado.

Métodos para secar el aire

Difusion

Sorpcion

Absorpcion

Medio de secado solido

Medio de secado delicuescente

Condensación

Adsorpcion

Medio de secado líquido

Sobre presurizacion

Enfriamiento

Medio sólido de secado

Regeneracion

Sin Calor

Calentamiento del medio de secado

Aire de regeneracion caliente

Fig 3-24: Diagrama de bloques con los diferentes sistemas de secado del aire

· Condensación

Separación del agua por la reducción de la temperatura del aire por debajo del punto de rocío 1) Sobre presurización y subsecuente expansión. 2) Enfriamiento por circulación de refrigerante en un secador refrigerativo.

· Sorpción:

Remoción de humedad.

·

o Adsorpción:

Un proceso físico. La humedad es capturada por el medio de secado por la fuerza molecular

o Absorpción:

Un proceso químico Moisture is separated by chemical reaction with the drying medium

Difusión:

El vapor de agua se desprende a través de membranas como el resultado de un cambio parcial en la presión.

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3. Tratamiento de Aire

3.5.1 Condensación 3.5.1.1 Secadores refrigerativos Secado por método de refrigeración usando un secador refrigerativo KAESER Secotec La refrigeración es el sistema más común de secado del aire. Durante este proceso, el aire se enfría a una temperatura cercana a la de congelación. Esto lleva a generar una buena porción de condensado en el aire, el cual es removido por un separador de condensados y un drenaje. El enfriamiento toma lugar en dos etapas, como se muestra en la fig 3-25. Primero, el aire comprimido que entra pasa a través de un intercambiador [2] utilizando como medio refrigerante el aire que va saliendo del secador, de la misma manera el aire que sale se calienta un poco con el aire que ingresa. El enfriamiento del aire en la segunda etapa es comparable con el principio de un refrigerador [4]. El condensado formado por la acción del enfriamiento es separado del aire comprimido por un separador multi etapas y libre de mantenimiento Zentri-Dry y es expulsado del secador por un drenaje de condensados automático [5]. El aire refrigerado, es calentado nuevamente en la sección superior por el intercambiador y abandona el secador con una humedad relativa de entre el 15 y el 20%.

La ventaja de esta clase de secadores es su alta confiabilidad, tienen una buena relación de costo/beneficio y pueden ser operados a un costo razonable. Es por esto que los secadores refrigerativos son los más frecuentemente usados cuando la presión de punto de rocío esta por encima del punto de congelación. Enfriando el aire por debajo del punto de congelación podría destruir el secador cuando el condensado se congele. Los modelos modernos de secadores vienen provistos de un regulador que justamente previene la congelación.

Circuito de refrigeración Comparado con los secadores refrierativos de válvula bypass de gas caliente, en el control de los SECOTEC (control parada/arranque) existe la opción de ahorro de potencia. El compresor del secador refrigerativo solo funciona cuando es necesario. El requerimiento básico para este tipo de control es la masa térmica de alta capacidad. El compresor de refrigerante puede apagarse tan pronto como se alcanza la temperatura más baja. Debido a que se tiene un periodo en donde el compresor está fuera de operación gracias a la masa térmica el sistema SECOTEC ahorra energía.

Fig 3-25: Secador refrigerativo

En secadores refrigerativos grandes, se usa un compresor de regulación de refrigerante para ahorrar energía. En casos especiales, los secadores refrigerativos se diseñan para beneficiar la aplicación usando secadores de alta presión o alta temperatura, por ejemplo.

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3. Tratamiento de Aire

Sistemas de separadores para secadores refrigerativos Centriflex El sistema Centriflex funciona en dos etapas Primera etapa: separación Un inserto especial de acero inoxidable separa todas las partículas menores a 10µm usando la fuerza centrífuga y el efecto del impacto. El separador es fabricado como un cartucho y es fácil de remover para limpieza y reutilización. Entrada de aire

Segunda etapa: Filtración profunda Una capa de filtro removible ubicada entre dos cubiertas de malla asegura la retención de sólidos y líquidos de hasta 3 µm. La capa de filtro removible es fabricada en fibra de vidrio y funciona como un filtro de lecho profundo con alta capacidad interna que puede absorber de 3 a 4 veces más partículas que un filtro de superficie. El filtro de lecho profundo es también resistente a bloqueos debido a los residuos pegajosos que a menudo se encuentran en los sistemas de aire comprimido. Esta habilidad de retener gran número de partículas sólidas sin bloquearse significa que la caída de presión a través del filtro se incrementa gradualmente solamente y que se tendrá una larga vida útil con un mínimo costo.

Agujeros equidistantes unos de otros.

Salida de aire

Fig 3-26: Separacipon con Centriflex

Zentri-Dry El separador Zentri-Dry tambien funciona en dos etapas y se encuentra, por ejemplo en los secadores SECOTEC.

Salida de aire

Primera etapa: separación Un separador de acero inoxidable remueve el 99% de los líquidos con un tamaño menor a 10µm. Funciona de acuerdo con el principio de la fuerza centrífuga y no requiere mantenimiento. Entrada aire

Segunda etapa: separación Un separador de acero inoxidable libre de mantenimiento separa las partículas sólidas con tamaño de hasta 3 µm y una certeza del 99.9%. Es auto-lavable y funciona de acuerdo con el principio de la fuerza de coalescencia. Esto significa que se logra una menor caída de presión.

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Fig 3-27: Zentri-Dry separation Drenaje

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3. Tratamiento de Aire

Refrigerante El uso tanto de CFC como R12 y R 22 no es permitido en los sistemas de refrigeración. La tabla 3-3 muestra los refrigerantes disponibles y su impacto ambiental. Hasta el año 2000, la mayoría de los fabricantes de sistemas de refrigeración usaban R22, y parcialmente CFC halogenado. En comparación con R12 este tiene un desgaste de la capa de ozono solamente del 5% y un potencial de calentamiento global del 12%. Sin embargo hoy se prefieren refrigerantes como HFC R134a y son recomendados por las autoridades como una alternativa al R12 y R22 debido a que tiene 0% de efecto de desgaste en la capa de ozono. La ventaja del refrigerante R134a es que los equipos usados que funcionaban con R12 pueden ser fácil y económicamente convertidos al nuevo refrigerante. Otros refrigerantes con 0% de efectos negativos sobre la capa de ozono como R404A y R40C están disponibles. Aquellos son llamados “mezclas”, son el resultado de mezclar varios refrigerantes los cuales cada uno sufre cambios de estado a diferentes temperaturas, por ejemplo, desviaciones a la temperatura a la cual estos componentes se evaporan, se condensan y, adicionalmente, tienen un efecto de calentamiento global más alto. R407C, por consiguiente, puede ser utilizado solamente en aplicaciones especiales, mientras que, debido a su baja temperatura a la que cambia de estado, R404A es interesante en donde se requiere el manejo del altos flujos de aire de 24 m³/min o más. R410A es usado en la nueva generación de compresores refrigerativos para altas presiones.

Refrigerante (componentes/fórmula)

R 12 (CCl2F2)

R 22 (CHClF2)

R 134a (CH2F-CF3)

R 404A (R143a,R125,R134a)

R 407C (R134a,R125,R32)

R 410A (R125,R32)

Temperature glide [K] *

100 %

Potencial de calentamiento global (GWP) 100 %

5%

12 %

0

0%

8%

0

0%

26 %

0.7

0%

11 %

7.4

0%

13 %

< 0.2

Desgaste de la capa de ozono (ODP)

0

Table 3-3: Refrigerantes disponibles y su efecto en el medio ambiente

*Diferencial de temperatura: La temperatura puede incrementarse durante la evaporación y caer durante la condensación debido a la ebullición y el punto de rocío. En refrigerantes puros el diferencial es de 0 Kelvin. R 22: Manufacture and use in new systems has been forbidden since 01.01.2000 R 12: Manufacture and use in new systems has been forbidden since 1995

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20

3. Tratamiento de Aire

3.5.1.2 Sobre-presión El mecanismo más simple para secar el aire es la sobre-compresión. El aire es comprimido por encima de la presión a la cual se requiere y pierde su capacidad de retener humedad, la cual es extraída como lo que llamamos condensado. Luego, el aire es despresurizado a la presión requerida, reduciendo la humedad relativa y la presión de punto de rocío. Sin embargo, este método no es económico para grandes cantidades de aire. Secando el aire por sobre-presión en 4 etapas

Alta Humedad Baja Humedad

Separación de condensado

Fig. 3-28: Principio de secado por sobre-presión

1. Entrada de aire atmosférico. 2. Compresión hasta 300 bar 3. Enfriamiento del aire con separación del condensado precipitado 4. Descompresión a aproximadamente 15 bar (presión de trabajo)

Aplicación Conmutación de transformadores de alto voltaje.

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3. Tratamiento de Aire

3.5.2 Difusión Definición La difusión es la ecualización de la concentración en dos sustancias por los movimientos brownianos de las moléculas de la mayor a la menor concentración. El movimiento es dependiente de la temperatura y puede tomar lugar libremente o a través de membranas semi-permeables (osmosis). Secado del aire comprimido por difusión a través de membrana El aire comprimido ingresa a través de un prefiltro en el cual las partículas sólidas, aceite y los aerosoles son retenidos y eventualmente evacuados. El aire purificado previamente fluye hacia abajo por el espacio entre las membranas y la carcasa del secador, el aire luego se desvía de manera uniforme gracias al deflector de aire de manera que el aire asciende alrededor de las paredes externas de las fibras de membrana huecas, cualquier remanente de partículas sólidas existentes se depositan en la base de la carcasa. Una porción del aire seco pasa a través de las membranas huecas y fluye hacia abajo a una salida a presión atmosférica. La expansión del volumen de este aire de purga incrementa su capacidad de retener vapor de agua. La diferencia en concentración de moléculas de agua entre el aire destinado para purga y el flujo principal de aire en direcciones opuestas fomenta la difusión de las moléculas de agua desde el aire comprimido hasta el aire de purga a través de las fibras de las membranas. El aire comprimido seco y el aire de purga cargado con humedad abandonan el secador de membranas por puertos independientes.

Ventajas

· Puede ser instalado fácilmente en una red existente · Puede ser instalado en zonas interiores o a la intemperie. · No es influenciado por la temperatura ambiente. · Ideal para instalaciones en áreas con riesgo de explosión.

Fig. 3-29: Funcionamiento del secador de membrana

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Fig. 3-30: Modelo de un secador de membrana KMM acondicionado con pre-filtro y drenaje 22

3. Tratamiento de Aire 3.5.3 Sorción 3.5.3.1 Secado por absorción La adsorción es un proceso químico en el cual el vapor de agua es extraído del aire comprimido por una reacción química con un medio secante higroscópico. Tipos de medio secante Solido Tiza deshidratada Sales de Magnesio sobreacidas

Delicuescente Cloruro de Litio

Liquido Ácido sulfurico

Cloruro de calcio

Glicerina Triethyleneglychol Table 3-4: Drying media

Funcionamiento Un secador absorbente (Fig. 3-31) consiste en un tanque que contiene un medio absorbente que absorbe el vapor de agua del aire comprimido por un proceso químico. El medio secante se derrite y debe ser drenado y reemplazado, este no puede ser reutilizado. La presión de punto de rocío que se logra con los secadores absorbentes depende de la temperatura del aire comprimido, la velocidad del flujo y el tiempo de uso del medio absorbente. Es posible reducir el punto de rocío de 10 a 15°C. Las aplicaciones de este tipo de secadores es limitada debido al consumo del medio desecante, la frecuencia de mantenimiento y generalmente altos costos de operación.

Puerto para llenar el medio desecante

Aire seco Medio desecante

Aire saturado

Pre-secado Separación mecánica Drenaje de condensado

Fig. 3-31: Secador desecantes

Es absolutamente necesaria la utilización de un drenaje de los condensados del medio desecante disuelto, debido a su alto contenido de sales el condensado corrosivo puede ser arrastrado al aire comprimido que sale del secador con consecuencias devastadoras. KAESER Compressed Air Seminar

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3. Tratamiento del Aire

3.5.3.2 Secado por adsorción El proceso de secado por adsorción se aplica cuando se requiere aire comprimido verdaderamente seco con presiones de punto de rocío de -40 a -70°C. Funcionamiento Los secadores adsorbentes emplean básicamente un proceso físico por medio del cual el vapor es atrapado por el medio secante (desecante) por la fuerza de la cohesión. El desecante es una esfera altamente porosa o de forma granulada en el cual el vapor de agua se incrusta en la superficie interior y exterior de cada esfera o gránulo. La humedad del aire comprimido, a la presión de trabajo, pasa a través de la torre llena con material desecante y genera turbulencia asegurando que el aire entre en contacto con tanto material desecante como sea posible. El aire comprimido va de abajo hacia arriba dentro de la torre, lo que significa que el lecho desecante se carga gradualmente con la humedad desde la parte inferior a la parte superior lo cual tiene la ventaja que el desecante seco se mantiene así durante el tiempo de regeneración. Un secador para operación continua tiene dos torres iguales conectadas en paralelo ambas llenas con desecante, de manera que mientras una torre seca el aire a presión, la otra esta despresurizada en la fase de regeneración del desecante (desorpción). En esta etapa, el aire de purga pasa a través del lecho desecante de la parte superior a la inferior con lo cual se previene que el desecante se fugue de la torre. Las dos torres están interconectadas por medio de válvulas que alternan su operación entre secado y regeneración.

Desecante

Humedad Secado (Adsorción)

Regeneración (desorpción)

Fig. 3-32: Las dos torres de un secador desecante

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3. Tratamiento de Aire

Secado por adsorción sin calor Fase de Secado El aire comprimido que fluye del compresor y el tanque de aire es liberado de contaminantes líquidos y sólidos (de partículas hasta 0.01 mm) por el filtro integrado FE (1). El aire comprimido luego fluye a través de la válvula de cambio (2) al distribuidor de flujo en acero inoxidable (2) en donde se distribuye proporcionalmente sobre el volumen de la cámara desecante (3). En la zona de carga (4) la mayor porción de humedad del aire se produce hasta el desecante por medio del proceso de adsorción. El segundo tercio de la cámara (10) extrae la humedad restante del aire permitiendo llegar así al punto de rocío requerido. La última parte de la cámara (11) sirve como una reserva de seguridad. El aire comprimido sale de la zona desecante a través del difusor de salida (5) y luego es purificado de las partículas de polvo (partículas de tamaño de hasta 1 mm) por medio de un filtro FD de partículas (6). Fase de regeneración Mientras que una torre se encuentra secando el aire, la otra se encuentra regenerándose, el desecante es regenerado con una porción de aire que fue secado en la primera torre. Esta purificación es guiada en contraflujo a través de la segunda torre. Debido a la expansión del aire, su capacidad de capturar la humedad se incrementa la cual sale por la purga y de esta forma se regenera el desecante (8). El volumen de purga requerido depende de las leyes físicas y puede ser optimizado por medio de la purga ajustable (7). El aire de purga, saturado de humedad, sale del secador por el silenciador de purga (9). Diseño El secador desecante debe ser diseñado para aceptar flujos máximos y condiciones de máxima temperatura y mínima presión de entrada. Durante los periodos en donde el secador no está funcionando al máximo, el volumen de purificación puede ser reducido por la opción KAESER ECO CONTROL Controlador de carga parcial, el cual ahorra grandes cantidades de energía. A 7 bar de presión y 35°C de temperatura de entrada, los secadores con suficiente desecante requieren aproximadamente 14% de pérdida de aire para purga. Si el volumen del desecante es el 60% del nominal, la purga de aire requerida se incrementa un 30%.

7 11

5

1

10

8

9

4

6 3 2 Fig. 3-33: Secador desecante por regeneración sin calor Seminario de Aire Comprimido KAESER

Fig. 3-34: Secador desecante de la serie DC 25

3. Tratamiento de Aire

Secado por regeneración interna con calor Fase de secado El aire comprimido que fluye desde el compresor (post enfriador, separador centrífugo y el tanque de aire) inicialmente fluye a través de un microfiltro el cual libera el aire de partículas sólidas y líquidas y también de aerosoles en aceite y luego van al secador de adsorción. El aire limpio pasa por la válvula de admisión (G) a la cámara (F), la cual está llena con desecante, en donde se remueve la humedad del aire por adsorción. El aire sale del secador por medio de válvula de cambio automática (J) y es enviado a un filtro de polvo instalado a la salida. Fase de regeneración Mientras que la torre (F) esta en la fase de secado, el desecante de la otra torre (H) es regenerado por el calor provisto por un elemento eléctrico instalado. Entre el 2 y el 3% del aire ya seco es descompresionado y usado para evacuar la humedad de la torre que se esta regenerando y cerca del 5% se requiere para enfriar nuevamente el refrigerante. Cuando el desecante de la torre que esta secando esta cerca de la saturación las válvulas (G y J) intercambian el sentido de flujo de manera que la torre que estaba regenerándose (H) ahora esta secando. Este ciclo de cambios es manejado por un controlador basado en tiempo o midiendo el grado de saturación. .

J

F

H

Características · Consumo de potencia adicional requerida para los calentadores. · La regeneración no se desarrolla de la misma manera en todas partes del lecho desecante · Mayor costo para aislamiento térmico

G

Fig. 3-35: Diagrama de un secador adsorbente con regeneración interna con calor

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3. Tratamiento de Aire

Secado por regeneración externa con calor Fase de secado El aire comprimido que fluye desde el compresor y hasta el tanque de aire luego es purificado de contaminantes líquidos y sólidos (partículas de hasta 0.01 mm) por el micro filtro integrado FE (1). El aire comprimido luego fluye por medio de la válvula de cambio (2) al distribuidor de acero inoxidable (3) en donde se distribuye uniformemente sobre la sección de la cámara del desecante. En la zona de masa de carga (4) la humedad es retenida por el desecante por el proceso de adsorción. El último tercio de la cámara sirve como reserva de seguridad. El aire comprimido abandona la torre desecante por el puerto de salida al colector (5) y luego es purificado de partículas (tamaños inferiores a 1mm) por el FD filtro de partículas (7). Fase de regeración Un soplador (10) atrae el aire ambiente, este se limpia por un filtro de entrada (9). Un calentador (11) calienta este aire purificado a una temperatura de 120-160°C antes de ser alimentado en contra flujo para la regeneración de la cama desecante (8) en la segunda cámara. Cuando el proceso de regeneración ha sido terminado, en otras palabras, cuando la humedad ha sido extraída del desecante, el calentador se apaga por medio de un sensor de temperatura y se sigue inyectando aire frío para enfriar el desecante. En la última fase de este procedimiento de enfriamiento el aire comprimido es dirigido a través de un agujero de purga (6) para prevenir que el aire atmosférico sature el desecante con humedad otra vez. Finalmente el aire de purga sale del secador por un sistema de tubería (2) al aire libre. El volumen de aire de purga es de aprox. 2% de la capacidad del secador. Esto permite que el punto de rocío sea bajo y constante independiente de las condiciones operativas.

6

M

11

5 1

10

8

4

9

7

3 12

2 Fig. 3-36: Secado por regeneración externa con calor

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3. Tratamiento de Aire

Diseño El secador debe ser diseñado para tratar el máximo flujo de aire, a la máxima temperatura de entrada y la mínima presión de entrada. La potencia consumida por el secador se determina por la energía de adsorción y la temperatura ambiente. Durante periodos en donde las condiciones del secador no son las máximas, el volumen de aire de purga puede ser reducido gracias al KAESER ECOCONTROL, un controlador de carga parcial, por lo que ahora energía. Fig. 3-37: SW series desiccant dryer

Secador combinado La combinación de un secador refrigerativo y de adsorción ofrece una interesante y económica alternativa para el secado del aire comprimido. Funcionamiento Aire comprimido húmedo ingresa a aproximadamente +35°C al secador refrigerativo en donde el intercambiador aire/refrigerante reduce su temperatura a aproximadamente +3°C y el condensado es evacuado por medio del drenaje. El aire sale del intercambiador con una presión de punto de rocío de +3°C y una temperatura de +3°C, por ejemplo con una humedad relativa de 100%. Luego el aire comprimido pasa a traves de un microfiltro que remueve aerosoles de aceite y partículas, posteriormente entra al secador desecante en donde se reduce la presión de punto de rocio entre -25°C y -70°C. Un filtro de partículas a la salida del secador remueve partículas de desecante que hayan resultado de la fricción, finalmente el aire comprimido pasa a través del intercambiador aire/aire integrado en el secador refrigerativo en donde la temperaura del aire se incrementa a aproximadamente +30°C.

Fig. 3-38: Diagrama P&I de un secador combinado

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3. Tratamiento de Aire

Seleccionando el punto de rocío El término presión de punto de rocío (PDP) es usado para definir el grado de secado del aire comprimido. Si se dice que se tiene una presión de punto de rocío de +5°C, significa que este se satura con una humedad a esa temperatura, por ejemplo, este contiene cerca de 7 gramos de agua por cada metro cúbico de aire (ver tabla 3-2). Esta relación se puede ver en la Fig. 3-39 por cada metro cúbico de aire comprimido a la presión de trabajo. Si, por ejemplo, el aire comprimido sale del post-enfriador a +30°C, este contiene 30 gramos de agua en cada metro cúbico de aire. Si el aire pasa luego a través de otro secador que lo puede enfriar aún más y se logra una presión de punto de rocío de +5°C se precipitará 30-7=23 gramos de condensado por cada metro cúbico de aire. A continuación los puntos que se deben tener en cuenta cuando se esta haciendo la selección del punto de rocío óptimo: · · · · ·

La temperatura del aire comprimido en el post-enfriador o en el tanque acumulador. La temperatura ambiente de acuerdo con la estación. La temperatura de las paredes a las cuales se va a fijar la tubería de aire. Recorridos parciales o totales de la tubería a la intemperie. Posible enfriamiento de la fábrica cuando no está en operación (dependiendo de las temperaturas adentro y afuera)

100 Absolute humidity g/m³

Secador refrigerativo

Secador desecante

Postenfriad or

Presión de punto de rocío °C

0 40

20

0

-20

-40

Fig. 3-39: Intervalo de secado de diferentes sistemas

Observando estos puntos, se puede encontrar la temperatura más baja en la tubería. Si parte de la tubería se encuentra a la intemperie se debe notar que la velocidad de flujo relativa debe ser alta para prevenir que la baja temperatura ambiente alrededor de la tubería afecte el aire comprimido. La presión de punto de rocío debe ser más baja que la más baja temperatura del aire ambiente o menor aún de acuerdo con algún requisito específico de la aplicación.

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3. Tratamiento de Aire

Selección del tipo de secador Actualmente se utilizan cuatro tipos de secado de aire: 1. Secadores refrigerativos con presiones de punto de rocío hasta +3°C 2. Secadores adsorbentes (desecantes) con presiones de punto de rocío entre -20 y -80°C 3. Secadores adsorbentes con presiones de punto de rocío dependiente de la temperatura del aire de entrada y parcialmente de la temperatura ambiente (por ejemplo presión de punto de rocío +11°C con temperatura ambiente de +40°C). Este proceso es usado solamente en casos especiales. 4. Secadores de membrana para volúmenes pequeños de aire logrando puntos de rocío de -40°C. Costos específicos de secar el aire dependiendo del volumen de flujo €/1000 m3 3.50 Secador desecante sin calor

3.00 2.50

Secador desecante con calor

2.00

Secador refrigerativo

1.50 1.00 0.50 0 0

0.5

1.0

5

10

50

100

m3/min

Fig. 3-40: Costos específicos de secar el aire comprimido

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3. Tratamiento de Aire

3.6 Filtración El propósito de la filtración es asegurar que el suministro del aire comprimido esté libre de contaminantes. Debido a que el aire circundante que entra al compresor esta contaminado en mayor o menor grado, este debe ser filtrado; el aire comprimido que sale del compresor debe ser filtrado posteriormente para remover cualquier contaminante sólido remanente o partículas de líquido.

Name

Dust

Vapour / fume / smoke

Perception

Sub-microscopic

Falling time for 1 m

Mist

Spray Rain

Microscopic

670 67 11

Seconds Minutes

Visible

170 3

42

11

3.3

1.6

0.9

Casting sand Water mist Industrial mist Coal dust Road dust Cement dusst Pollen Spores

Influence of Brownian molecular motion

Bacteria Metal dust Paint spray mist Viruses

Oil Tomacco smoke

Oil mist

Gas molecules

Cyclone

Separating and filtering capacity

Pore size

Normal Heavy

Bag filter

Particle size in µm

Act. carbon, silica gel

0.001

0.01

0.1

1.0

10

100

1000

Fig. 3-41: Tamaño de partículas de contaminantes en el aire comprimido

Fuera de la separación mecánica, los filtros son clasificados como de superficie y de lecho profundo. Filtros de superficie Estos filtros aplican principalmente al mecanismo de separación mecánica. Las partículas mayor tamaño que el poro definido del filtro quedan en la superficie, formando un bloqueo que es relativamente fácil de remover. Filtros de lecho profundo Estos filtros son capas de fibras entrelazadas de manera heterogénea que combina un número de mecanismos de separación para retener pequeñas partículas. Los mecanismos de separación son: · · · · ·

Impacto directo Carga electrostática Adsorpción difusión Efecto Tamiz Seminario de Aire Comprimido KAESER

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3. Tratamiento de Aire

Lista de filtros en orden de la retención de partículas

Partículas retenidas

Modelo del filtro

Característica

Aplicación

Partículas sólidas mayores a 3-4 µm

Filtros de Mangas

Filtro de admisión

• Atmósfera local contaminada

Partículas sólidas mayores a 3 µm; partículas de aceite < 5 mg/m³

Prefiltro FB

Máxima retención de fluido: 25,000 mg/m³

• Suciedad y polvo

Partículas sólidas mayores a 1 µm; partículas de aceite < 1 mg/m³

Prefiltro FC

Máxima retención de fluido: 2,000 mg/m³

Partículas sólidas mayores a 1 µm; aceite remanente < 1 mg/m³

Filtro de partículas FD

Usese sólamente como filtro de partículas debido a su gran superficie de filtrado y por que el fluido, al contrario que el FC, atraviesa de afuera hacia adentro.

• Filtro de polvo

Máximo contenido de fluido a la entrada: 1,000 mg/m³

• Controles neumáticos, elementos de medición, pintura por aspersión, y recubrimiento por polvo.

Microfiltro FE Partículas sólidas mayores a 0.01 µm; aceite remanente < 0.01 mg/m³

• Prefiltro para el microfiltro

• Usado luego de los secadores desecantes y torres de carbón activado para retener partículas de desgaste

Partículas sólidas mayores a 0.01 µm; aceite remanente < 0.001 mg/m³

Microfiltro FE

Máximo contenido de fluido a la entrada: 100 mg/m³

• Prefiltro para secadores desecantes, de membrana (FE solamente) y torres de carbón activado.

Partículas sólidas mayores a 0.01 µm; aceite remanente < 0.001 mg/m³; vapor de aceite remanente < 0.003 mg/m³

Microfiltro combinado de aceite y carbón activado. FE

Máximo contenido de fluido a la entrada:100 mg/m³.

• Industria de alimentos y bebidas, máquinas de soplado de botellas.

Vida útil : 1,000 horas de operación

• Establecimientos médicos, producción de medicamentos y aire respirable.

Partículas sólidas mayores a 0.01 µm; aceite remanente < 0.001 mg/m³: vapor de aceite remanente < 0.003 mg/m³

ACT Adsorbente de Aire seco a la entrada carbón activado

Grado de separación LRV >7/cm² para 0.01µm de tamaño de partículas

Filtro esteril FST

(relacionado a bacteria Coli)

Vida útil: 10,000 horas de operación

100 % Aire esteril

• Industria de alimentos y química Vída: 24 horas de trabajo, • Industria de empaque luego del 100 ciclos de regeneración si es posible. • Establecimientos médicos y farmacéuticos

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3. Tratamiento de Aire

Prefiltro (modelo FC) Características · Dos etapas, la filtración de lecho profundo provee alta eficiencia y larga vida del elemento. · Remueve el 100 % del condensado. · Remueve todas las partículas sólidas de más de 1 micrón. · El remanente de aceite es menor a 1 ppm. · Drenaje de condensados automático. · Carcaza provista de un indicador de presión diferencial. Diseño y Funcionamiento El aire fluye a través del elemento tubular soportado por la parte superior y sale radialmente a través de las perforaciones en la primera etapa de filtración. Esta etapa consiste en múltiples capas de fibra de vidrio soportadas por una felpa de fibra de vidrio la cual retiene partículas sólidas burdas. Luego, el aire fluye a través de una segunda etapa de filtración que consiste en una mezcla de fibras y microfibras de vidrio. Las dos etapas retienen partículas solidas y líquidas por la acción de la filtración de lecho profundo y de la coalescencia. El aire sale del elemento a través de una pieza perforada. Aplicaciones · Filtro general para aire de taller · Pre-filtro antes de un filtro más fino · Puntos finales uso cuando se utilizan post-enfriadores o secadores. · La versión FD de filtros de partículas después de un secador desecante. · Usado en contraflujo en dirección contraria se utiliza este filtro como de gran superficie filtrante para retener partículas sólidas a la salida de un secador desecante en donde la temperatura de entrada puede alcanzar los 120°C.

A A = Indicador de presión diferencial B = Cámara de filtración C = Válvula de corte D = Drenaje automático de condensados

B

C Fig. 3-42: Filtro de aire comprimido con elemento

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D

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3. Tratamiento de Aire

Microfiltro (modelo FE) Función Partículas de aceite y agua, aerosoles y partículas sólidas por debajo de 0.01 micrones se separan del aire gracias a la interacción de tres parametros: contacto directo, impacto y difusión.

Fig. 3-43: FE Elemento filtrante

El contacto directo ocurre cuando grandes partículas o gotas se estrellan en una de las fibras y se adhieren a ella. El impacto toma lugar cuando partículas o gotas son desviadas por las fibras de material aleatoriamente ubicadas e impactan en las fibras circundantes. La difusión ocurre cuando pequeñas partículas y aerosoles chocan entre ellas en el flujo del aire o se unen en las fibras debido al movimiento molecular Browniano.

Aire Comprimido contaminado

Medio Filtrante

Aire técnicamente libre de aceite y aire comprimido limpio

Características El intervalo de mantenimiento de la superficie del elemento del filtro de lecho profundo es determinado por la caída de presión (presión diferencial) que se presenta a través de el. El máximo tamaño del elemento depende de los costos, que se está dispuesto a pagar, involucrados en la sobre-compresión que se requiere para compensar la caída de presión. La cual se incrementa dramáticamente con el flujo de aire, de manera que es importante que el elemento sea lo suficientemente grande. El líquido recolectado en la base de la carcasa es frecuentemente muy contaminado y debe ser evacuado con cierta frecuencia lo que significa que debe instalarse un drenaje automático tipo flotador o drenaje de válvula solenoide programado con cierto tiempo y frecuencia de apertura o con sensor electrónico de flujo.

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3. Tratamiento de Aire

Filtro combinado ModeloFFG Aceite remanente < 0.001 mg/m³ relacionado a 20 °C y 7 bar. Aceite remanente < 0,003 mg/m³.

Características La primera etapa del microfiltro retiene todos los aerosoles y partículas sólidas y el vapor de aceite es retenido en el filtro de carbón activado de la segunda etapa. Los dos elementos son separados y cada uno tiene su propia carcaza, de manera que la primera etapa de separación del líquido (1) es aparte de la segunda etapa de adsorción (2). En ambos elementos el aire fluye de dentro hacia fuera del elemento.

Diseño y funcionamiento El aire comprimido fluye a través del elemento de la etapa 1 en donde sólidos y partículas en aerosol de aceite son removidos. Esta etapa esta provista de con drenaje. El aire que ha sido limpiado previamente fluye a través del filtro de carbón activado de la segunda etapa. El diseño especial de este segundo elemento, con la gran superficie de adsorción, se asegura una larga y económica operación y se maximiza la eficiencia minimizando la velocidad de filtración. El carbón activado adsorbe todos los vapores de hidrocarburos en forma de vapor así como olores en el aire. El filtro de carbón activado tiene en sí dos etapas de filtración. La primera etapa se presenta en la gran superficie de las finas partículas de carbón y la segunda varias capas de material fibroso que contiene partículas microfinas de carbón, estas representan un grado fino de filtración de partículas.

Microfiltro FF

Filtro de carbón activado

Fig. 3-45: Elementos del filtro de dos etapas

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3. Tratamiento de Aire

Seguridad El diseño de filtro asegura que no haya arrastre de partículas de carbón activado en el aire comprimido y que la construcción rugosa en acero inoxidable pueda soportar las fuertes variaciones de presión. El resultado Aire filtrado, técnicamente libre de aceite con un nivel de calidad miles de veces mayor que el aire que respiramos a diario. Este aire es adecuado para ser usado en la industria alimenticia, en laboratorios y en la industria electrónica. Vida útil Los filtros de carbón activado deben ser solamente instalados aguas abajo del resto del tratamiento con el fin de evitar los efectos negativos de la humedad en la capacidad de adsorción del medio filtrante.

El filtro FFG debe ser instalado en un punto en donde el aire comprimido esté tan frío como se pueda en donde se tiene la mayor precipitación de aceite. Esto asegura la mayor durabilidad posible para el filtro de carbón activado donde el flujo de aire debe estar entre 20 y 30°C. Areas de aplicación

· · · · · ·

Procesos de alimentos. Empaque Industria de bebidas Aire respirable Soplado de botellas Instalaciones médicas

Fig. 3-46: Filtro combinado FFG con drenaje automático

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3. Tratamiento de Aire

Filtro esteril FST La eficiencia de la filtración se mantiene constante para cualquier rata de flujo entre 1% y el 200% de la capacidad nominal del filtro. La capacidad de retención de bacterias (LRV) es > 7 /cm² para tamaños de partículas de 0.01 µm (relacionado a las pruebas de bacteria coli).

Características Usando un medio laminado especial en tres dimensiones, el aire comprimido es filtrado a una calidad estéril del 100%. El medio filtrante no pierde fibras y tiene una alta capacidad de retención de partículas y bacterias. Diseño y funcionamiento La carcasa del filtro es de acero inoxidable 1.4301 que no ofrece nutrientes a las bacterias y no se corroe. Una carcasa patentada asegura un sello perfecto del elemento y el diseño del filtro compacto asegura la zona libre de estática. La carcasa tiene una conexión roscada (BSP) y está provisto de roscas en la parte inferior y superior. La carcasa en acero inoxidable esta aprobada por la TÜV. El elemento está hecho de un microfiltro previo seguido por el medio de microfibras tridimensional, libre de uniones. Un sello en silicona se usa para fijar las tapas del filtro en acero inoxidable. La separación de partículas y bacterias toma lugar a través de todo el volumen del filtro, el cual es lo suficientemente grande para permitir altas ratas de flujo y una mínima caída de presión. Hasta 100 ciclos de esterilización aseguran la larga vida del elemento y bajos costos de operación. El filtro puede ser operado a una temperatura máxima de 200°C, la cual es también la máxima temperatura de esterilización, y la máxima caída de presión permisible es 5 bar, independientemente de la presión del sistema. Los elementos del filtro son sujetos a exigentes controles de calidad con el fin de garantizar la confiabilidad en su operación.

Áreas de Aplicación · · · · ·

Fabricación de químicos Fabricación de fármacos Industria de alimentos Empaque Instalaciones médicas

Fig. 3-47: Filtro esteil FST

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3. Tratamiento de Aire Eficiencia de filtración η [%] La eficiencia de la filtración es la relación de la concentración de partículas antes de la filtración [K1] y la concentración después de la filtración [K2]. K2 Entre más eficiente el filtro, mayor es la resistencia del medio η = 1 x 100 filtrante individual. De acuerdo con el diseño, esto incrementa K 1 la caída de presión Δp a través del filtro (presión diferencial). Presión diferencial Δp a través del filtro Las partículas capturadas durante la operación incrementan la presión diferencial a través del filtro. La presión diferencial Δp con un elemento nuevo está entre 0.02 y 0.2 bar y el máximo valor en operación no bebe sobrepasar valores por el orden de 0.3 a 0.4 bar. El indicador de presión diferencial muestra cuando se alcanza el límite y el elemento debe limpiarse o cambiarse. Indicador de presión diferencial El indicador de presión diferencial muestra el grado de saturación del elemento filtrante. Zona Verde – ligeramente saturado. Zona roja – Máximo grado de saturación aceptado. El elemento debe cambiarse para mantener la eficiencia del filtro.

Monitor del filtro (opción) El monitor del filtro mide la presión diferencial y entrega una señal que puede ser procesada de varias formas. La presión diferencial máxima se puede programar con una precisión de 025 bar y de manera que se tendrá una alarma sonora o visual cuando se exceda el valor programado. El intervalo de mantenimiento se puede programar también de acuerdo con el resto de la estación. La sensibilidad de la alarma se puede programar con un tiempo de retardo de 5 segundos. Cuando el tiempo faltante para el uso del filtro es inferior a 60 días, la pantalla muestra el tiempo que hace falta para el mantenimiento. El monitor del filtro puede ser conectado a un controlador maestro para una rápida reacción a las alarmas.

Fig. 3-48: Indicador de presión diferencial

Fig. 3-49: Monitor del filtro

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3. Tratamiento de Aire Carbón activado Remanente de aceite en el aire inferior a 0.003 mg/m³.

El problema Como es bien sabido, el aire comprimido es una mezcla de gases que no sólo contiene nitrógeno y oxígeno, también se encuentra vapor de agua y otros elementos adicionales. Debido a la contaminación causada por las emisiones de la combustión de las plantas, motores y el uso de aceites refrigerantes y otros materiales de producción. El aire que sale del compresor contiene una alta concentración de hidrocarburos y otras sustancias olorosas. Los hidrocarburos contenidos en el aire atmosférico pueden exceder fácilmente los 10 mg/m3 bajo ciertas condiciones. Dependiendo del tipo de compresor, algunos aceites lubricantes se vaporizan en la misma máquina, incrementando el arrastre de aceite al aire comprimido. Este factor aplica tanto a los compresores refrigerados por aceite como a los llamados compresores libres de aceite. En este aspecto, los compresores más eficientes son los de tornillo refrigerados por aceite. Gracias a su sistema de separación de alta eficiencia integrado y bajas temperaturas de operación el arrastre de aceite a la red de aire comprimido sólo es de 1-3 mg/m3. En algunos casos el paso de aceite a la línea de aire puede interrumpir la producción o influenciar negativamente la calidad del producto. En algunas instalaciones, la calidad de aire comprimido estándar debe ser de por lo menos clase 1 de acuerdo con la norma ISO 8573-1 la cual estipula que el paso de aceite a la línea debe ser menor a 0.01 mg/m3. La solución Así como en los casos mencionados arriba, si la aplicación requiere no solamente separación de gotas de aceite precipitado si no también retención de vapores de hidrocarburos, el tratamiento con un simple filtro de partículas de aceite no es suficiente. Obviamente, estos filtros pueden separar fácilmente el aceite condensado del compresor, pero no la contaminación que se encuentra alrededor del compresor y que ingresa al mismo. La solución aquí es la de un filtro o torre de carbón activado. Estos sistemas retienen la mayor parte de la polución, permitiendo que el aire comprimido se use en áreas extremadamente sensibles.

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3. Tratamiento de Aire

Función El aire seco debe ser mecánicamente libre de cualquier remanente de gotas de aceite con un filtro sub-micrónico (1). En la parte adsorbente, el aire fluye a través de un difusor especial de entrada (2) en un lecho adsorbente (3) el cual esta lleno de carbón altamente adsorbente activado en donde el aire es distribuido en toda la sección del lecho. Esto permite un tiempo de contacto máximo y óptima adsorción, la cual se asegura por un ajuste preciso de la velocidad del aire, la correcta sección adsorbente y la adecuada profundidad del lecho. El aire fluye a través del adsorbente de carbón activado desde la parte superior a la parte inferior para incrementar la capacidad de adsorción y la vida operacional del carbón activado. Después de pasar por la reserva de seguridad el carbón activado el aire sale del equipo por el puerto de salida (4). Cualquier tamaño de partículas de carbón (partículas >1mm) en el aire son removidas por un filtro de partículas (5). Otros adsorbentes son disponibles par aplicaciones especiales.

2 3

1

4

5

Fig. 3-50: Adsorbente de carbon activado

Asegurando la calidad de aire Una válvula de aguja acoplada a un indicador de aceite provee el monitoreo confiable de la calidad de aire. Esto asegura que los usuarios siempre trabajarán con el aire comprimido necesario.

Bajo consume de energía El sistema KAESER de carbón activado está diseñado para lograr ahorros de energía. El gran tamaño de la tubería de conexión y la sección transversal dentro del equipo reduce la velocidad del flujo, incrementando la efectividad del adsorbente y por ende reduciendo después de todo las caídas de presión al mínimo (debajo de 0.15 bar cuando es nuevo)

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3. Tratamiento de Aire

Fácil mantenimiento El manómetro de presión externo indica la presión en el lecho adsorbente. El llenado en la cámara de carbón activado es diseñado para lograr una vida de servicio de 10.000 horas o más. Los tapones de llenado y drenaje facilitan el drenaje y llenado de la cámara.

Diseño La torre de carbón activado, el prefiltro y el filtro de partículas deben estar diseñados para el máximo flujo de aire, la máxima temperatura de entrada y la mínima presión del aire comprimido de entrada. Con un dimensionamiento correcto de la torre de carbón normalmente logra las 10.000 horas de operación. Esto se reduce considerablemente si, como ocurre normalmente, no se tiene en cuenta la temperatura del aire comprimido de entrada como un factor de corrección.

Fig. 3-51: Torre de carbon activado ACT

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3. Tratamiento de Aire

3.7 Recomendaciones de la VDMA para calidad de aire comprimido para la industria alimenticia Base

ISO 8573-1

Clasificación de caliadd de aire comprimido de acuerdo con ISO 8573-1: 1995 Clase 1 2 3 4 5 6 7

Solidos mg/m³ mm

DTP

0.1 1 5 15 40 ---

-70 0.003 -40 0.12 -20 0.88 +3 6 +7 7.8 +10 9.4 No especificado

0.1 1 5 8 10 ---

Agua g/m³

Aceite mg/m³ 0.01 0.1 1 5 25 ---

Recomendaciones Esta recomendación es válida para todo tipo de compresor, independiente del principio de compresión y del tipo.

3.7.1 Industria de empaque y sector farmacéutico Recomendaciones para el aire comprimido que esta en contacto con material de empaque teniendo contacto directo con el producto. Clasificación del aire de acuerdo con la ISO 8573-1 Aceite: Solidos: Agua:

Clase 1 Clase 1 Clase 4

Para empaque esteril: se requiere filtración esteril adicional Retención de Bacterias. Especificación de separación: LRV (Log Reduction Value) > 7/cm² filtración efectiva de área relacionada a la prueba de organismos Brevundimonas diminuta (antes Pseudomonas diminuta) ATCC19146

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3. Tratamiento de Aire

Caso de análisis A. Red de aire comprimido nueva o limpia con los siguientes materiales: 1) Acero galvanizado, adecuado para alimentos 2) V2A/V4A 3) Plásticos permitidos para aire comprimido 4) Aluminio Aire comprimido para remover aceite, solidos y agua.

* Control de sistemas individuales

Centralizado

Al sistema de tratamiento de condensados

(1) Compresor. (2) Separador centrífugo o tanque acumulador (con drenaje automático de condensados monitoreado). Si se instala un separador centrífugo, asegúrese que existe suficiente volumen de almacenamiento de aire en la tubería red. (3) Secador refrigerativo con alarma de punto de rocío (con drenaje automático de condensados monitoreado) (4) Mocrofiltro con retención de 0.01 µm, 99,999 % (con manómetro de presión y con drenaje automático de condensados monitoreado) (vida útil del elemento monitoreada). (5) Filtro de carbón activado. Vida útil 4.000 horas o 6 meses. (6) Sistema de carga de la línea principal (arranque en vacío) cierre en caso de falla (función de alarma). (10) Controlador maestro que coordine, monitoree y supervise los compresores. Casos especiales Si se usan compresores que generan una contaminación relativamente alta en la red (por ejemplo teniendo compresores reciprocantes lubricados o teniendo compresores de paletas deslizantes), la filtración debe ser más exigente, por ejemplo, un filtro de 3-5 µm para ser acondicionado antes del filtro (4). Este filtro debe estar provisto de un manómetro de presión diferencial y drenaje automático de condensados monitoreado. Importante! Todo el sistema de tratamiento debe estar acondicionado sin by-pass (línea alterna para mantenimiento). Un sistema de reserva de la misma capacidad debe estar disponible en caso de falla para requerimientos de servicio. Durante el diseño se deben tener en cuenta las condiciones ambientales y las condiciones de sitio.

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3. Tratamiento de Aire B. Red de aire contaminada y difícil de limpiar Materiales de tubería no definidos Remosión de Agua Remosión de aceite y solidos

Centralizado Local, directamente antes del usuario

Main network

* Control of individual systems

To condensate treatment

To condensate treatment

To condensate treatment

Machine outlet

Machine outlet

(1) Compresor. (2) Separador centrífugo o tanque acumulador (con drenaje automático de condensados monitoreado). Si se instala un separador centrífugo, asegúrese que existe suficiente volumen de almacenamiento de aire en la tubería red. (3) Secador refrigerativo con alarma de punto de rocío (con drenaje automático de condensados monitoreado) (4) Mocrofiltro con retención de 0.01 µm, 99,999 % (con manómetro de presión y con drenaje automático de condensados monitoreado) (vida útil del elemento monitoreada). (5) Filtro de carbón activado. Vida útil 4.000 horas o 6 meses. (6) Sistema de carga de la línea principal (arranque en vacío) cierre en caso de falla (función de alarma). (10) Controlador maestro que coordine, monitoree y supervise los compresores. Casos especiales Si se usan compresores que generan una contaminación relativamente alta en la red (por ejemplo teniendo compresores reciprocantes lubricados o teniendo compresores de paletas deslizantes), la filtración debe ser más exigente, por ejemplo, un filtro de 3-5 µm para ser acondicionado antes del filtro (4). Este filtro debe estar provisto de un manómetro de presión diferencial y drenaje automático de condensados monitoreado. Importante! Todo el sistema de tratamiento debe estar acondicionado sin by-pass (línea alterna para mantenimiento). Un sistema de reserva de la misma capacidad debe estar disponible en caso de falla para requerimientos de servicio. Durante el diseño se deben tener en cuenta las condiciones ambientales y las condiciones de sitio.

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3. Tratamiento de Aire

3.7.2 Aire Comprimido en contacto directo con el producto Si el aire comprimido esta en contacto directo con el producto o se mezcla con el, se recomienda el siguiente tratamiento con el fin de eliminar olores y sabores.

Clasificación de la calidad de aire de acuerdo con ISO 8573-1 Aceite: Solidos: Agua:

Class 1 Class 1 Class 4

Pare empaque esteril: Filtración esteril adicional. Retención de Bacterias. Especificación de separación: LRV (Log Reduction Value) > 7/cm² filtración efectiva de área relacionada a la prueba de organismos Brevundimonas diminuta (antes Pseudomonas diminuta) ATCC19146

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3. Tratamiento de Aire Caso de análisis A. Red de aire comprimido nueva o limpia con los siguientes materiales: 1) Acero galvanizado, adecuado para alimentos 2)V2A/V4A 3) Plásticos permitidos para aire comprimido 4) Aluminio

Aire comprimido para remover aceite, solidos y agua.

Centralizado

To condensate treatment * Control of individual systems

(1) Compresor. (2) Separador centrífugo o tanque acumulador (con drenaje automático de condensados monitoreado). Si se instala un separador centrífugo, asegúrese que existe suficiente volumen de almacenamiento de aire en la tubería red. (3) Secador refrigerativo con alarma de punto de rocío (con drenaje automático de condensados monitoreado) (4) Mocrofiltro con retención de 0.01 µm, 99,999 % (con manómetro de presión y con drenaje automático de condensados monitoreado) (vida útil del elemento monitoreada). (4)* Microfiltro (si es necesario, para retener partículas clase 1) (6) Sistema de carga de la línea principal (arranque en vacío) cierre en caso de falla (función de alarma). (7) Torre de carbón activado. Vida útil 10.000 horas o 8 meses. (8) Filtro de partículas, retención de 3-5 µm con indicador de presión diferencial (monitoreo de vida útil), drenaje manual, clase 3 de retención de partículas. (10) Controlador maestro que coordine, monitoree y supervise los compresores. Casos especiales a) Productos que son extremadamente propensos a la humedad y para los cuales clase 4 para humedad no es suficiente. En este caso, se debe usar secador desecante (3) con un punto de rocío bajo o el secador de membrana con el correspondiente punto de rocío b) Si se usan compresores que generan una contaminación relativamente alta en la red (por ejemplo teniendo compresores reciprocantes lubricados o teniendo compresores de paletas deslizantes), la filtración debe ser más exigente, por ejemplo, un filtro de 3-5 µm para ser acondicionado antes del filtro (4). Este filtro debe estar provisto de un manómetro de presión diferencial y drenaje automático de condensados monitoreado. Importante! Todo el sistema de tratamiento debe estar acondicionado sin by-pass (línea alterna para mantenimiento). Un sistema de reserva de la misma capacidad debe estar disponible en caso de falla para requerimientos de servicio. Durante el diseño se deben tener en cuenta las condiciones ambientales y las condiciones de sitio. Seminario de Aire Comprimido KAESER

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3. Tratamiento de Aire B. Red de aire contaminada y difícil de limpiar Materiales de tubería no definidos Remosión de Agua Remosión de aceite y solidos

Centralizado Local, directamente antes del usuario

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* Control of individual systems

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Machine outlet

Machine outlet

(1) Compresor. (2) Separador centrífugo o tanque acumulador (con drenaje automático de condensados monitoreado). Si se instala un separador centrífugo, asegúrese que existe suficiente volumen de almacenamiento de aire en la tubería red. (3) Secador refrigerativo con alarma de punto de rocío (con drenaje automático de condensados monitoreado) (4) Mocrofiltro con retención de 0.01 µm, 99,999 % (con manómetro de presión y con drenaje automático de condensados monitoreado) (vida útil del elemento monitoreada). (4)* Microfiltro (si es necesario, para retener partículas clase 1) (6) Sistema de carga de la línea principal (arranque en vacío) cierre en caso de falla (función de alarma). (7) Torre de carbón activado. Vida útil 10.000 horas o 8 meses. (8) Filtro de partículas, retención de 3-5 µm con indicador de presión diferencial (monitoreo de vida útil), drenaje manual, clase 3 de retención de partículas. (10) Controlador maestro que coordine, monitoree y supervise los compresores. Casos especiales a) Productos que son extremadamente propensos a la humedad y para los cuales clase 4 para humedad no es suficiente. En este caso, se debe usar secador desecante (3) con un punto de rocío bajo o el secador de membrana con el correspondiente punto de rocío b) Si se usan compresores que generan una contaminación relativamente alta en la red (por ejemplo teniendo compresores reciprocantes lubricados o teniendo compresores de paletas deslizantes), la filtración debe ser más exigente, por ejemplo, un filtro de 3-5 µm para ser acondicionado antes del filtro (4). Este filtro debe estar provisto de un manómetro de presión diferencial y drenaje automático de condensados monitoreado. Importante! Todo el sistema de tratamiento debe estar acondicionado sin by-pass (línea alterna para mantenimiento). Un sistema de reserva de la misma capacidad debe estar disponible en caso de falla para requerimientos de servicio. Durante el diseño se deben tener en cuenta las condiciones ambientales y las condiciones de sitio. Seminario de Aire Comprimido KAESER

47

3. Tratamiento de Aire 3.7.3 Aire Comprimido Esteril Tratamiento siempre inmediatamente antes del usuario

Caso de análisis A. Operación no continua La esterilización del elemento se realiza en los momentos en que para la producción.

Aire Comprimido

Usuario

Vapor condensado

* Conexión de vapor (9) Filtro esteril

B. Operación continua La esterilización se realiza gracias a la línea alterna de filtración (sistema de filtros doble)

Aire Comprimido

usuario Vapor condensado

reserva

Vapor condensado *Conexión de vapor

(9) Sistema de filtros esteriles doble, uno de ellos como reserva.

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48

4.

Drenaje condensado y Tratamiento

4.1

Drenaje de Condensado

4.1.1 4.1.2 4.1.3 4.1.4

Drenaje controlado por flotadores Válvulas solenoides de drenaje con temporizador Drenajes con control de nivel electrónico Instalando drenajes de condensado

4.2

Tratamiento de Condensado

4.2.1 Características de condensado de un compressor de aire 4.2.2 Tratamiento de condensado no-emulsionado 4.2.3 Tratamiento de condensado emulsionado

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1

4. Drenaje de Condensado y Tratamiento

4.1 Drenaje de condensado El condensado es un resultado inevitable de la compresión del aire. La condensación causa corrosión y contiene aceite y partículas de suciedad (herrumbre, por ejemplo) y es parcialmente agresivo. A menos que se realice una correcta remoción en los puntos de almacenamiento, se pueden producir perturbación en la operación y corrosión.

Fig. 4-1: Drenaje de condensado y tratamiento en una estación de aire comprimido

4.1.1 Drenaje controlado por flotadores Los modelos más antiguos de alcantarillado automático condensado emplearon un flotador hueco, mecánicamente se vinculó a una válvula. El nivel creciente de condensado levantaba el flotador, que a su turno abría la válvula para permitir la salida del condensado. Tales dispositivos no requieren ninguna fuente de energía y liberan el condensado esporádicamente a medida que acumula. La fuerza de levantamiento del flotador es equivalente al volumen de líquido que este desplaza menos el peso del flotador en sí mismo. El flotador por lo general está vinculado a una palanca para producir bastante fuerza que permite abrir una válvula del tamaño adecuado, tal es ilustrado abajo.

Características

· · · ·

El drenaje solo tiene lugar cuando suficiente condensado se ha acumulado. No hay pérdida de aire comprimido. Un mantenimiento regular es esencial ya que las partículas pueden causar que el mecanismo se obstruya. No hay medio de obtener una señal que confirme que el condensado ha sido agotado o que una falla ha surgido.

Fig. 4-2Función de un desague controlado por flotador condensado

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2

4. Drenaje de Condensado y Tratamiento 4.1.2 Válvulas solenoides de drenaje con Temporizador Un temporizador es colocado para abrir una válvula solenoide a intervalos regulares para permitir la salida del condensado. Una ventaja es la talla relativamente grande de la válvula que permite un drenaje rápido. Una remota ventaja consiste en que la presión de resorte, contra la cual la solenoide trabaja para abrir la válvula, aplica la fuerza para cerrarlo correctamente. Este tipo de dispositivo es también sensible a las partículas de suciedad que puedan entrar en el hueco entre la bobina y el núcleo, haciendo que el núcleo se trabe, o se depositen sobre el asiento de la válvula previniendo que ésta cierre correctamente, con la consiguiente pérdida de aire comprimido. Un filtro malla debe ser instalado en la línea de condensada y un regular mantenimiento de la válvula es esencial. Otra desventaja de este modelo es que la frecuencia y la duración de la apertura, siendo controlada por un timer, no está relacionada directamente con la proporción en la cual el condensado se acumula. Si la frecuencia de apertura de la válvula se fija para evitar respaldo de condensado bajo las peores condiciones posibles, como por ejemplo un día caliente y húmedo de verano, entonces la válvula se abrirá con demasiada frecuencia durante otras condiciones atmosféricas cuando no tanto condensado se ha acumulado, con la subsecuente pérdida de aire comprimido. La alta velocidad en la cual el condensado se expulsa de la válvula bajo presión tiende a emulsionar el líquido que luego requiere un costoso tratamiento por una unidad que parte de la emulsión.

3 1

2

Fig 4-3: Drenaje condensado con válvula solenoide

Componentes · Válvula esférica (1) · Filtro malla (2) · Válvula solenoide con temporizador integrado ó separado (3)

Características · Drenaje automático y regular · 230 V / 50 Hz · Intervalos de apertura entre los rangos de 1.5 a 30 minutos · Duración de apertura entre los rangos de 0.4 a 10 segundos · Drenaje del condensado recolectado en el contenedor

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3

4. Drenaje de Condensado y Tratamiento 4.1.3 Drenajes con control de nivel electrónico Estos dispositivos están equipados con un sensor de nivel y están más vinculados a drenaje de condensado que a drenajes controlados con flotadores. La válvula solenoide se abre solamente cuando se ha acumulado el suficiente condensado y se cierra otra vez sin pérdida de aire comprimido tan pronto como se drene. Partículas de suciedad quedan en el receptáculo y no se pueden bloquear la válvula, y el receptáculo se debe quitar para una necesaria limpieza. La cubierta del drenaje es generalmente de aluminio, de acero inoxidable o de plástico resistente. La calefacción termostática controlada puede ser utilizada para proteger contra heladas y algunas versiones están disponibles para el uso en ambientes explosivos.

Características · Sensor de nivel capacitivo · Ajuste automático de presión · Autocontrol con contacto auxiliar disponible para alarma.

Entrada de condensado Receptáculo Sensor de nivel Válvula solenoide Linea de balance Diafragma de la válvula Asiento de la válvula Descarga

Fig. 4-4: Drenaje automático de condensado ECO Drain

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4

4. Drenaje de Condensado y Tratamiento Función del ECO-Drain El condensado acumulado pasa a través de la apertura de entrada (1) al receptáculo (2). El sensor de nivel (3) señala cuando el nivel de condensado en el receptáculo alcanza un cierto punto. El control electrónico procesa esta señal y activa la valvula solenoide (4) para abrir la linea de balance (5) para igualar la presión con la línea de descarga (8). La baja presión provoca que el diafragma de la válvula (6) se eleva del asiento (7) permitiendo que el condensado sea drenado. El mecanismo electrónico evalúa el nivel de caída y calcula exactamente el tiempo que la válvula debería estar abierta para que al cerrarse no haya pérdida de aire comprimido. Si ocurriera una falla en la secuencia de drenaje, el dispositivo pasa a modo de alarma después de 60 segundos. El LED rojo parpadea y un mensaje de alarma es enviado a través del contacto de flotación de relevo. En el modo de alarma, la válvula solenoide se abre 7.5 segundos cada 4 minutos. Mientras que la válvula solenoide esté libre de fallas el ECO-Drain continuará marcando alarma cuando se llene sin presión.

5

3

1 Ni2 Ο

4

Ni1 Ο

6

Ni2 Ο Ni1 Ο

2

2

1 Entrada de condensado 3 Sensor nivel 2 Receptáculo 4 Válv. Solenoide

7

8

5 Línea de balance 7 Asiento de la válv. 6 Diafragma de válv. 8 Línea descarga

Fig. 4-5: Sensor de nivel del drenador de condensado Eco Drain.

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5

4. Drenaje de Condensado y Tratamiento 4.1.4

Instalando drenajes de condensado

El drenaje de condensado más confiable no será satisfactorio si no es instalado correctamente, y es aquí donde surgen los errores más comunes. Deben seguirse las siguientes reglas básicas: No una varios puntos de recolección de condensado a un drenaje en común, ya que diferenciales de presión pueden causar un efecto bypass. El condensado sólo puede fluir en el receptáculo cuando se le permite al aire, ya en el receptáculo, a salir, usualmente de regreso a la fuente de condensado, mediante una línea de compensación separada (no ilustrada). El condensado sólo puede fluir a una línea de aire comprimido. Ejemplo de Instalación

1

2

3

4

5

6

7

8

9

Fig 4-6: Ejemplo de instalación

1) 2) 3) 4) 5) 6) 7) 8)

Tubo de admisión. Filtro no instalado. Inclinación > 1%. Válvula de cierre. Conexión: accesorio cilíndrico únicamente (de acuerdo al fabricante). Presión mínima. 0.8 a 1.2 bar (presión indicada en la placa). Manguera de descarga corta y transparente (conexión flexible e indicador de flujo visual). Cada 1 m de elevación vertical en la descarga incrementa la presión mínima 0.1 bar. Elevación máxima 5 m. La conexión realizada a la línea de recolección sin modo de regreso, ej.: cuello de cisne). 9) Línea de recolección con inclinación > 1%.

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6

4. Drenaje de Condensado y Tratamiento Errores comunes en la instalación de drenajes de condensado Presión diferencial

Cada recolector de condensado debe tener su propio drenador.

Fig. 4-7: Drenaje en comun trabaja como bypass

Ventilación

Una línea de equilibrio debe ser instalada si la inclinación necesaria no es posible. Fig. 4-8: Inclinación insuficiente sin una linea de equilibrio dificulta el drenaje

Superficie de choque

Una superficie de choque es necesaria para que el condensado directo no sea empujado por el flujo de aire. Fig. 4-9:El condensado puede ser arrastrado con el aire si no encuentra una superficie de choque.

Inclinación continua

Se debe tener mucho cuidado de no crear una trampa de agua. Fig. 4-10: Una baja inclinación evita trampas de agua.

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7

4. Drenaje de Condensado y Tratamiento

4.2 Tratamiento de condensado 4.2.1 Características de condensado de aire comprimido El condensado es principalmente agua con aceite mezclados en donde el aceite es parcialmente una dispersión microfina y parcialmente una emulsión estable. La inclusión de partículas de suciedad, dióxido de sulfuro, cobre, plomo, hierro y otras sustancias hacen de este condensado una mezcla potente. Hidrocarburos también son encontrados en el condensado, mayormente en las dos formas indicadas pero también en la tercera forma bajo ciertas circunstancias. 1. Libres; sin disolver y no emulsionados que pueden ser separados por gravedad mientras que son suficientemente menos densos que el agua ® pH: 6-9. 2. Emulsionadas; donde puede hacer una distinción entre emulsificación mecánica (condensado forzado o bombeo) y emulsificación química del efecto de una sustancia en la superficie (solvente o componentes de tensión superficial en la entrada de aire). ® es necesaria la neutralización. 3. Hidrocarburos disueltos, dependiendo del tipo, solubilidad y temperatura. Estos últimos no son visualmente reconocibles y aparecen como resultado de una limpieza con un agente a base de petróleo ó si dichas sustancias son liberadas en un proceso y encuentran un modo de ingresar en la toma de aire a través del compresor. ® pH 3-6. Todo el condensado debe ser tratado por disposición conforme a regulaciones de protección de medio ambiente locales. Diferencias visibles entre los condensados

Condensado libre

Condensado emulsionado

Condensado de hidrocarburos disueltos

Fig. 4-11:Condensado aceitoso

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4. Drenaje de Condensado y Tratamiento 4.2.2 Tratamiento de condensado no - emulsionados Separadores de aceite/agua para condensado no emulsionado confian en la gravedad y en la diferencia de densidad de los dos líquidos. Cualquier partícula dispersa de aceite remanente son selectivamente absorbidas por el carbón activado. La limpieza del condensado no emulsionado de este modo cumple con las reguslaciones ambientales de Alemania y puede ser derramado en un alcantarillado normal. Esto ahorra los costos de disposición de especialistas, que en Alemania alcanza los €300 por metro cúbico, y el costo de tanques de almacenaje convenientes, supervisando disposiciones, etc.. Unidades de tratamiento AQUAMAT El condensado bajo presión del compresor de aire ingresa al AQUAMAT a través del puerto de admisión y se almacena en la cámara de expansión/silenciador (2) donde son separados del aire. Posteriormente, los condensados fluyen a través del recolector de impurezas (3) y al tanque de asentamiento donde la mezcla de aceite asciende a la superficie. El agua parcialmente limpia pasa a través de un tubo (4) y un prefiltro (5). Un sensor de nivel mide el nivel de contaminación (6). Posteriormente los condensados fluyen al filtro de absorción (7) donde el remanente de aceite es removido y el agua limpia es evacuada de la unidad por medio del tubo de evacuación (8). El aceite que ha sido separado es recolectado en un recipiente especial por medio dewl tubo barredor (9). Muestras de calidad de agua pueden ser tomadas del punto de prueba (10). Fig. 4-12: Unidad de tratamiento AQUAMAT

Entrada de condensados Cámara de expansion / silenciador Colector de impurezas Tubo Sensor de nivel Prefiltro Filtro de absorción Tubo de agua de descarga Barredor adjustable de aceite Punto de prueba

Fig. 4-13: Funcion AQUAMAT

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4. Drenaje de Condensado y Tratamiento 4.2.3 Tratamiento de condensado emulsionado Algunos tipos de compresores y condiciones de operación conditions da lugar al condensado emulsionado, que debe ser tratado por uno de tres métodos de división posibles de separar el agua y el aceite. División química Este proceso está basado en la neutralización química de la carga en agentes emulsionantes no iónicos para desestabilizarlos. Los dos métodos más comunes son la adición de un ácido, usualmente sulfúrico, o una agente precipitador de hidróxido en forma de sales metálicas que producen flóculos. Ultra filtración Este proceso de energía intensiva requiere filtros finos y membranas de filtrado a través de las cuales el condensado emulsionado pasa bajo presión (4 – 10 bar) y a una gran velocidad (ca. 5 m/S). Las pequeñas moléculas de agua pasan a través de la membrana y una gran cantidad de moléculas de aceite son retenidas, como así también gran consumo de energía, el proceso implica grandes costos de mantenimiento. Absorción Este proceso físico es un Segundo paso después de la separación inicial con la necesidad de agregar ácido o alkali como un medio de reacción. Preferentemente, sustancias neutrales ambientales son utilizadas, como ácidos silícico activado, arcilla o Bentonita. La separación inicial significa que menor cantidad de la sustancia de reacción es necesaria y muy poca energía, haciendo al método de absorción particularmente económico para grandes estaciones de aire comprimido.

Unidades ESA Estas unidades autónomas ingresan el condensado automáticamente y lo tratan con Bentonita ecológicamente neutro. Un tanque separador con un dispositivo de separación integrado realiza la separación inicial de aceite.

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10

5. Distribución del aire comprimido 5.1

Estructura de la red de tuberías

5.2

Caída de presión

5.3 5.3.1 5.3.2

Medición de fugas Pérdidas por fugas Medición por vaciado del depósito de aire comprimido Medición por tiempo de marcha del compresor Medición por el consumo de aire comprimido

5.3.3 5.3.4 5.4

Dimensionando de las tuberías de aire comprimido

5.5

Elección de materiales

5.6 5.6.1 5.6.2

Instalación de redes de aire comprimido Red de aire comprimido con/sin secador Redes de aire comprimido instaladas en el exterior

5.7

Identificación de tuberías

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1

5. Distribución del aire comprimido

5.1

Estructura de la red de tuberías

Tubería principal La tubería principal es la que une el depósito de aire comprimido con el centro principal de consumo. Este sector debe contar siempre con reservas suficientes para posibles ampliaciones.

Tubería de distribución La tubería de distribución reparte el aire comprimido dentro de una red de puntos de consumo. Puede tratarse de una tubería recta o anular o bien de una anular con tuberías rectas integradas (Distribución mallada). Tubería principal

Distribución en anillo: Las tuberías anulares tienen la ventaja de permitir secciones pequeñas. Pueden dimensionarse para la mitad del flujo volumétrico con la mitad de longitud nominal. Para su instalación es importante: · Prever posibilidades de corte selectivo · Instalar tramos intermedios para Dp demasiado altas

Ilustración 5-1: Distribución en anillo

Distribución mallada: Son aquellos sistemas anulares en los que se instalan tuberías transversales o longitudinales adicionales a la tubería de distribución. Las ventajas son las mismas que las de un sistema anular. En estos sistemas es fácil cortar el paso de aire a los distintos sectores.

Tubería de distribución

Tubería recta: Este tipo de tuberías tiene la ventaja de que el gasto en materiales es menor. Para su instalación es importante:

· Mayores Æ de tubería que en los sistemas anulares · Ampliar a sistema anular en caso de Dp demasiado altas

Tubería de conexión Ilustración 5-2: Tubería recta

Tubería de conexión Estas tuberías forman la conexión entre la tubería de distribución y el punto de consumo. El empalme de la tubería de conexión a la de distribución deberá realizarse en sentido ascendente, sobre todo si se trata de una red de aire comprimido húmeda, para evitar que el aire arrastre el condensado.

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2

5. Distribución del aire comprimido

5.2

Caída de presión

La experiencia en la práctica demuestra que los sistemas de distribución del 80 % de las empresas son el punto más débil del sistema de aire comprimido. Por esa razón, la distribución del aire precisa una cualificación equivalente a la exigida para instalar una red de distribución eléctrica, tarea que siempre se deja en manos de especialistas debido a su potencial de peligrosidad. En el caso de los sistemas de distribución de aire comprimido, por el contrario, se ha venido improvisando en muchos de los casos, sobre todo en el pasado. Los puntos más importantes en la planificación son el flujo volumétrico y la pérdida admisible de presión.

La caída de presión en medios líquidos y gaseosos en los sistemas de tuberías es consecuencia del rozamiento interno. La acción dinámica de la fuerza entre las moléculas y el rozamiento del medio con las paredes internas de la tubería hacen que se produzca una pérdida de energía que se manifiesta como una pérdida de presión. Además del medio que forma la corriente, hay que tener en cuenta otros factores para la caída de presión: Dimensionado demasiado reducido de las tuberías de aire comprimido Trayectoria no lineal de las tuberías Conexiones y empalmes de las tuberías Turbulencias (número de Reynolds alto) Tuberías muy largas Superficie interna de las tuberías rugosa

Caída de presión en la red de tuberías En las redes de aire comprimido bien diseñadas se cuenta con una caída de presión de 0,1bar en la red de tuberías. 1. Tubería principal 0,03 bar 2. Tubería de distrib. 0,03 bar 0,1 bar 3. Tubería de conex. 0,04 bar 4. Secador frigorífico 0,2 bar 5. Unidad de mantenimiento y manguera _0,5 bar_ máx. 0,8 bar Dif. conmutación (ideal)_0,2 bar_ 1,0 bar Presión máx. en compresor 7,0 bar (s) Presión consumidor __6,0 bar (s)__ Pres. diferencial 1,0 bar Ilustración 5-3: Caída de presión en el sistema

Si la presión de servicio es baja, por ejemplo de 3 bar (s), una caída de presión de 0,1 bar supone una pérdida de energía mucho mayor que en un sistema que funcione a 7 bar (s). Por eso, la regla a tener en cuenta es: Caída máx. de presión en la red de tuberías < 1,5 % de la presión de servicio

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3

5. Distribución del aire comprimido

Consecuencias de la falta de presión: La siguiente gráfica muestra el efecto de una presión insuficiente en el rendimiento de una herramienta: kW

% Rendimiento

kW

Presión en bar (s) Ilustración 5-4: Deficiencias del rendimiento de una herramienta por la pérdida de presión

La presión normal para el funcionamiento de las herramientas neumáticas es de 6 bar(g). Con frecuencia, la presión se eleva en la estación de compresores para compensar caídas de presión posteriores. Esta estrategia cuesta dinero, como demuestra el ejemplo siguiente: V = 30 m³/min consume a 7 bar (g) 160 kW. A 8 bar (g) el consumo de potencia sube aprox. un 6 %, es decir, unos 9,4 kW adicionales. Coste: 9,4 kW x 0,10 € / kWh x 4.000 h/año = 3.760,-- €/año.

Reducción de las pérdidas de presión gracias a la tubería correcta Cada consumidor de aire comprimido precisa una presión de flujo o de servicio concreta. Debido a las pérdidas, esta presión será menor que la presión estática que se da en el consumidor cuando está inactivo. Si la presión de flujo es demasiado baja (debido a secciones de tubería demasiado pequeñas, por ejemplo), el rendimiento de la herramienta sufre una disminución. Una presión excesiva dispara los costos de energía, además de acortar la vida de las máquinas y herramientas neumáticas. A B

G

= Válvula de cierre (recomendada válvula de bola) = Filtro (separación de agua y óxido) C

C D E F G

= Reductor de presión (presión de servicio constante) = Lubricador (normalmente, lubricador por neblina) = Acople rápido (flexibilidad) = Manguera (longitud 3-5 m) = Contrapeso (facilita el trabajo)

E

A B D

F Ilustración 5-5: conexiones correctas Seminario de Aire Comprimido KAESER

4

5. Distribución del aire comprimido

5.3

Medición de fugas

5.3.1

Pérdidas por fugas

Las fugas son especialmente perjudiciales en la distribución del aire comprimido. Pueden aparecer en cualquier parte del sistema. Las pérdidas de presión se producen con frecuencia en los puntos de acoplamiento, pero también se sufren pérdidas importantes por mangueras de caucho dañadas o en las válvulas de cierre. Las pérdidas por fugas hacen subir los costes de producción del aire comprimido o empeoran el rendimiento de los aparatos consumidores. Es importante recordar que las fugas son “trabajadoras aplicadas”, que no respetan el final de la jornada, ni los días festivos ni las vacaciones, y “rinden” 8.760 h de servicio al año.

Ejemplo 1: Partiendo de los costes; Suposición: Coste del aire comprimido: 0,02 €/m³ Un agujero de 3 mm de diámetro significa una pérdida de 0,5 m³/min a 6 bar. 0,5 m³/min x 60 min/h = 30 m³/h 30 m³/h x 8.760 h/año = 262.800 m³/año 262.800 m³/ año x 0,02 €/m³ = 5.256 €/ año

Ilustración 5-6: Fugas

El aire comprimido debe transportarse desde la estación de compresores hasta el punto de consumo sin sufrir reducciones de caudal (fugas), originando así el coste más bajo posible. En la siguiente tabla 5-1 se muestra una visión general de los costes y las pérdidas de potencia causadas por las pérdidas debidas a fugas.

Diámetro del agujero Tamaño correspondiente

Consumo de aire a 6 bar (s)

Pérdidas

m3/min

kW

1 mm

0,065

0,47

412.-

2 mm

0,257

1,85

1.620.-

4 mm

1,03

7,42

6.500.-

6 mm

2,31

16,66

14.594.-

Tabla 5-1: Pérdidas por fugas

*Precio de la electricidad: 0,10 €/kWh Tiempo de servicio: 8.760 h/año

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5

5. Distribución del aire comprimido

Ejemplo 2: Para comprimir 1 m³ de aire a 7,5 bar se consumen aprox. 0,1 kWh. Si las horas de servicio anuales se elevan a 8.760 y el precio de la corriente eléctrica es de 0,10 €/kWh, tendremos el siguiente resultado con una fuga total de 5 m³/min en un sistema de aire comprimido: 5 m³/min x (8.760 h x 60 min/h) x 0,1 kWh/m³ x 0,10 €/kWh = 26.280 €/año Lo importante es descubrir dónde se encuentran las fugas, cuál es su tamaño y cómo pueden repararse. Para la cuantificación de fugas se han impuesto sobre todo dos procedimientos que se aplican con el sistema parado.

5.3.2

Medición por vaciado del depósito de aire comprimido

La condición previa para aplicar este procedimiento es conocer el volumen del depósito de aire comprimido, que será por ejemplo de 500 l. El volumen de acumulación del depósito (VA) sería 500 l/bar. Se llena el depósito con una presión de 9 bar (presión inicial del depósito pI). A continuación se mide el tiempo que tarda la presión en bajar hasta 7 bar (presión final del depósito pF) debido a las posibles fugas, que puede ser de 3 minutos (t), por ejemplo. El alcance de la fuga se calcula aplicando la siguiente fórmula:

VA x (pI – pF) VL = t Fugas Entrada cerrada

Desconectadas

VL = Caudal de fuga VA = Vol. de acumulación depósito pI = Presión inicial depósito pF = Presión final depósito t = Tiempo

Ejemplo: VA = pI = = pF t = VL = =

500 l/bar 9 bar (s) 7 bar (s) 3 min 500 l/bar x (9 bar – 7 bar) / 3 min 333 l/min

Fig 5-7: Medición de fugas por vaciado del tanque de presión

Este procedimiento se aplica en sistemas en los que el volumen de las tuberías es inferior al 10 % del volumen del depósito de aire comprimido (exactitud de la medición).

Pérdidas por fugas en el sistema: 333 l/min Seminario de Aire Comprimido KAESER

6

5. Distribución del aire comprimido

5.3.3

Medición por tiempo de marcha del compresor

La medición se realiza controlando tramos parciales o el sistema completo. El compresor trabaja solamente para el tramo o la red a controlar. Si la capacidad de un solo compresor no fuera suficiente habrá que conectar otras unidades a la red y ponerlas en marcha durante la medición. Un compresor con suficiente caudal llena la red a controlar con una presión de por ejemplo 8 bar. Si no existen fugas, esta presión debería mantenerse. Normalmente la red pierde algo de presión, de manera que el compresor vuelve a conectarse, ya que estará ajustado para reconectarse cuando la presión caiga por debajo de un mínimo establecido en, por ejemplo, 6 bar. Dos cronómetros miden respectivamente el tiempo total de control y el tiempo de marcha del compresor encargado de reponer la presión de red de 8 bar. La medición se llevará a cabo 4 ó 5 veces para minimizar las posibilidades de error. La relación entre el tiempo total de marcha del compresor (ttot = t1+t2+t3+t4+t5) y el tiempo total de control (T) y en consideración de la potencia del compresor nos informará sobre las pérdidas por fugas. En la ilustración 5-8 se representa esta relación de modo gráfico.

Presión del manómetro (bar (s))

8 7 6 5

T

4 3 2 1

Ilustración 5-8: Medición de fugas por tiempo de marcha del compresor

Tiempo

El caudal de la fuga se calcula entonces con la fórmula:

VC x ttot VL = T

VL = Caudal de fuga en m³/min VC = Caudal del compresor en m³/min ttot= Suma de los tiempos parciales en los que el compresor marcha en carga T = Tiempo completo de control

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7

5. Distribución del aire comprimido

Ejemplo: Caudal del compresor Tiempo de carga del compresor Tiempo completo de control

VC t = t1 + t2 + t3 + t4 + t5 T

= = =

3 m³/min 120 s 600 s

3 x 120 VL =

= 0,6 m³/min = 20 % del caudal completo del compresor 600

5.3.4

Medición por el consumo de aire comprimido

En aquellas empresas donde hay instalado un gran número de herramientas, máquinas o aparatos neumáticos, las conexiones de las mangueras y las válvulas suelen provocar grandes pérdidas. Para localizar las fugas con exactitud pueden realizarse los dos procedimientos descritos hasta ahora, una vez con los consumidores conectados y otra vez desconectados. De esta manera puede determinarse la localización de las mayores fugas, es decir, si se encuentran en la red de aire o en los puntos de conexión de los consumidores, que es donde suele darse el 70 % de las pérdidas.

Procedimiento:

1.

Las herramientas y máquinas neumáticas están conectadas para un funcionamiento normal (medición de las fugas totales) Ilustración 5-9: Red de aire con consumidores

2.

Las válvulas de cierre anteriores a las conexiones de los consumidores están cerradas (medición de las fugas de la red) Ilustración 5-10: Red de aire sin consumidores

La diferencia entre 1. y 2. corresponde a las pérdidas en los consumidores, sus válvulas y acoples.

Cálculo de fugas por medio de registradores de datos digitales (medición por ADA) El fabricante de compresores también puede ofrecerle un cálculo de fugas muy económico. En él se examina el perfil de rendimiento (presiones, cargas, etc.) de los compresores conectando un moderno registrador de datos digital. Para llegar a resultados fiables es recomendable analizar el perfil de rendimiento durante al menos una semana, fin de semana incluido, y dejar después que un experto valore los datos recopilados. Seminario de Aire Comprimido KAESER

8

5. Distribución del aire comprimido

5.4

Dimensionado de las tuberías de aire comprimido

Antes de empezar con cálculos detallados, el usuario debe tener clara una cosa: La causa de las pérdidas de energía en redes viejas de distribución de aire suele ser que se ha ido ampliando la longitud, pero no su sección nominal. Cuando las redes ya existentes se van ampliando al tiempo que se les conectan cada vez más consumidores, lo lógico será que las caídas de presión vayan a más. Las tuberías de aire comprimido deben diseñarse de manera que ofrezcan capacidad suficiente incluso en caso de modificaciones en la estructura de producción.

En lo que se refiere a los costes de inversión, conviene recordar que el gasto de una instalación que tenga en cuenta las reservas para el futuro no es muy distinto del de otra que no las prevea si la diferencia en el tamaño de las tuberías es tan sólo de una o dos medidas. Las posibles mejoras posteriores (que muchas veces no se llevan a cabo) costarían mucho más que la estructura inicial preparada para ampliaciones.

Los siguientes puntos son importantes para diseñar una red de aire comprimido correctamente:

Selección de tuberías: - Consumo de aire comprimido - Longitud de la tubería - Presión de servicio - Caída de presión - Resistencias al flujo

Tubería y conexiones: - Tipo de salidas - Válvulas de cierre - Purgadores de condensados - Lubricadores de herramientas - Filtros de polvo - Filtros de aceite - Válvulas reductoras de presión - Mangueras - Acoplamientos

Elección del material para las tuberías de aire comprimido: - Condiciones ambientales (humedad, temperatura, contaminación química del aire) - Calidad del aire comprimido (contenido de humedad y de aceite, temperatura) - Carga estática - Campo de aplicación (normativas) - Coste - Duración esperada

Trazado de la red: - Sistema anular - Tubería de conexión - Tubería recta - Acoplamientos de tuberías - Grifería - Distancia entre suspensiones

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9

5. Distribución del aire comprimido Resistencias ofrecidas al flujo por los accesorios y su conversión a longitudes de tubería Todas las conexiones y accesorios que se montan en una red de aire comprimido provocan una caída de presión en la red de tuberías, por lo que habrá que tenerlos en cuenta a la hora de dimensionar la red. Para simplificar, la caída de presión se traduce a longitudes concretas de tubería recta que causarían en cada caso la misma pérdida de energía. La conversión se realiza atendiendo a la siguiente tabla: Accesorios Válvula de cierre abierta, medio cerrada Válvula de membrana Válvula angular Válvula de asiento Válvula de retención Codo R = 2d Codo R=d Codo articulado Pieza en T en la dirección del flujo Pieza en T en la dirección de la derivación Reductor

25 0,3 5 1,5 4 3-6 2,0 0,3

40 0,5 8 2,5 6 5-10 3,2 0,5

Longitud de tubería equivalente en m para DN 50 80 100 125 150 200 250 300 0,6 1,0 1,3 1,6 1,9 2,6 3,2 3,9 10 16 20 25 30 40 50 60 3,0 4,5 6 8 10 7 12 15 18 22 30 36 7-15 10-25 15-30 20-50 25-60 30-75 4,0 6,4 8,0 10 12 16 20 24 0,6 1,0 1,2 1,5 1,8 2,4 3,0 3,6

0,4

0,6

0,8

1,3

1,6

2,0

2,4

3,2

4,0

4,8

6,4

1,5 0,5

2,4 0,8

3,0 1,0

4,8 1,6

6,0 2,0

7,5 2,5

9 3

12 4

15 5

18 6

24 8

1,5

2,4

3,0

4,8

6,0

7,5

9

12

15

18

24

0,5

0,7

1,0

2,0

2,5

3,1

3,6

4,8

6,0

7,2

9,6

400 5,2 80 32 4,8

Tabla 5-2: Longitudes de tubería equivalentes a cada elemento de tubería o accesorio

En el momento de calcular el dimensionado, la longitud final será el resultado de sumar la longitud de las tuberías rectas más la caída de presión de toda la tubería (traducida a longitud de tubería). Como simplificación puede aplicarse un factor de multiplicación de 1,6 a la longitud de las tuberías rectas, que en la mayoría de los casos cubrirá todas las pérdidas por elementos de conexión y accesorios en la red. Longitud total de tuberías: Ltotal = Lrecta + Lequivalente o el cálculo aproximado Ltotal = 1,6 x Lrecta Ejemplo: Tenemos una red de aire comprimido con 100 m de tuberías y una sección interior de tuberías de 100 mm. Además, tiene instalados los siguientes accesorios y conexiones: Accesorio o conexión

Cantidad

Válvula de cierre, abierta Codo r = d Pieza en T (derivación) Reductor Suma

8 12 2 4

El resultado es una longitud total de 100 m + 52 m = 152 m.

Longitud de tubería equivalente en m Por elemento Suma 1,3 10,4 1,6 19 6 12 2,5 10 ~ 52 Tabla 5-3: Ejemplo de cálculo de longitud de tuberías

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10

5. Distribución del aire comprimido

Sección mínima de las tuberías de aire comprimido La sección exigida se calcula a partir del caudal, la presión de servicio y la longitud total de las tuberías. Para las redes de aire de menos de 200 m de longitud total puede calcularse la sección de las tuberías con ayuda de la tabla siguiente (válida para una caída de presión de ~0,1 bar):

hasta 0,5 hasta 1,0 hasta 1,5 hasta 2,0 hasta 3,0 hasta 5,0 hasta 7,5 hasta 10,0 hasta 12,5 hasta 15,0 hasta 17,5 hasta 20,0 hasta 25,0 hasta 30,0 hasta 40,0

¾″ 1″ 1″ 1 ¼″ 1 ¼″ 1 ½″ 2″ 2″ 2 ½″ 2 ½″ 2 ½″ 3″ 3″ 3″

1″

1″

1 ¼″

1 ½″

1 ¼″

1 ¼″

1 ½″ 2″

1 ½″ 2″

2″

2″

2″

2″

2 ½″ 2 ½″ 2 ½″

3″

3″

DN100

2 ½″ 3″

3″ DN100

DN100 DN100

DN100 DN100 DN100 DN100 DN125

Ver nomogarama para tubrías de aire comprimido

hasta 50 m hasta 100 m hasta 200 m más de 200 m

Pres. de servicio 10 bar Longitud total

Pres. de servicio 13 bar Longitud total

hasta 50

hasta 50 m hasta 100 m hasta 200 m más de. 200 m

¾″ 1″ 1″ 1 ¼″ 1 ¼″ 1 ½″ 2″ 2″ 2 ½″ 2 ½″ 2 ½″ 3″ 3″ 3″

hasta 100

hasta 200 m

1″

1 ¼″

1 ¼″

1 ½″

1″

1 ½″ 1 ½″ 2″

2″

1 ¼″ 2″ 2″

2″

2″

2 ½″

2 ½″

2 ½″

3″

2 ½″ 3″

3″

3″

DN100 DN100

DN100 DN100

DN100 DN100 DN100 DN100 DN125

más de 200 m

¾″ 1″ 1″ 1 ¼″ 1 ¼″ 1 ½″ 1 ½″ 2″ 2 ½″ 2 ½″ 2 ½″ 2 ½″ 3″ 3″

1″

1″

1 ¼″

1 ¼″

1 ¼″ 1 ½″

1 ½″

2″

1 ½″

2″

1 ½″

2″

2″

2″

2 ½″ 2 ½″

2 ½″ 2 ½″ 2 ½″ 3″

3″

3″

DN100 DN100

DN100 DN100

DN100 DN100 DN100 DN100 DN125

Ver nomogarama para tubrías de aire comprimido

Pres. de servicio 7,5 bar Longitud total

Ver nomogarama para tubrías de aire comprimido

Caudal m³/min

Tabelle 5-4: Secciones mínimas para tuberías de aire comprimido

Como la sección nominal de las tuberías se indica unas veces en DN (diámetro nominal) y otras en pulgadas, la tabla 5-5 puede ayudar a convertir las secciones indicadas con más frecuencia.

Sección nominal de tuberías – Equivalencia mm (DN: diámetro nominal) DN 6 DN 8 DN 10 DN 15 DN 20 DN 25 DN 32 DN 40 DN 50 DN 65 DN 80 DN 100 DN 125 DN 150

Pulgadas (Inch) R 1/8 R 1/4 R 3/8 R 1/2 R 3/4 R1 R 1 1/4 R 1 1/2 R2 R 2 1/2 R3 R4 R5 R6

Tabla 5-5: Conversión DN – pulgadas

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11

5. Distribución del aire comprimido

Cálculo de la sección interior de las tuberías Existe una fórmula general aproximada para calcular la sección de aquellas tuberías que por su longitud quedan fuera de la tabla 5-4 (cálculo empírico):

di =

5

di = Sección interior de la tubería (m) ps = Sobrepresión del sistema (en Pa) L = Longitud nominal (m) V = Flujo volumétrico (m³/s) Δp = Pérdida de presión (Pa) (predefinida)

1,6 x 103 x V1,85 x L Δp x ps

Otra posibilidad para calcular la sección interna de las tuberías es usar el nomograma de la ilustración 5-12. Proceda del modo siguiente: En primer lugar, marque el punto correcto en los ejes A y B, correspondientes a la longitud de tuberías y al caudal. Una después ambos puntos trazando una línea recta, cuya prolongación cortará el eje C. Luego, marque en los ejes E y G la presión mínima del sistema y la pérdida de presión máxima deseada. La línea recta que une esos dos puntos cortará el eje F. Uniendo finalmente los dos puntos de corte de los ejes C y F con otra recta, cortaremos el eje D en el punto que nos indica la sección correcta para la tubería en cuestión. ® ¡Elija siempre una sección mayor que el valor medio indicado! Longitud de tubería en [m]

Sección libre [mm] Pérdida de presión [bar] Caudal [m³/h] [m³/min] Presión sistema [bar (s)]

1 2

7

4

6

8 5

3

Ilustración 5-11: Nomograma para calcular la sección de tuberías de aire comprimido

Das KAESER–Druckluft-Seminar

12

5. Distribución del aire comprimido

5.5

Elección de materiales

Todas las redes de aire comprimido tienen que cumplir las siguientes premisas: Hermeticidad Protección anticorrosión Alta resistencia a las temperaturas de servicio Alta resistencia a la presión Baja resistencia En la elección del material para las tuberías se recomienda orientarse por criterios técnicos. Además de la hermeticidad de los empalmes y la protección contra corrosión, la resistencia a la presión y a las altas temperaturas son aspectos vitales a tener en cuenta.

Influencia de la temperatura en la presión máxima admisible El aumento de temperatura reduce el límite de dilatación de los materiales. La hoja DIN 2401 informa sobre la relación entre la presión nominal y presión de servicio máxima admisible para distintos materiales.

Pres. nominal [bar (s)]

Tubos de acero sin soldaduras DIN 2448

Pres. de servicio máx. admisible [bar (s)] para aire comprimido

hasta 120 °C

para aire comprimido

hasta 200 °C

2,5

Ac 35

2,5

2

6

Ac 35

6

5

10

Ac 35

10

8

16

Ac 35

16

13

25

Ac 35

25

20

40

Ac 35.8

40

36

64

Ac 35.8

64

50

100

Ac 35.8

100

80

Tabla 5-6: Presión admisible para tubos de acero sin soldaduras

Ejemplo: Contamos con una red de aire comprimido diseñada para 6 bar (g) y que está sometida a una presión de prueba de 6 bar (g), y que a temperaturas de más de 120 °C sólo puede funcionar a 5 bar (g).

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13

5. Distribución del aire comprimido ¿Tuberías de aire comprimido de metal o de plástico? En principio pueden usarse ambos materiales, que presentan diferentes ventajas y desventajas (tablas 5-7, 5-8). Sin embargo, dentro de la propia estación de compresores deberá evitarse el uso del plástico. Las tuberías de ese material tienen la ventaja de ser resistentes a la corrosión, de pesar poco y ser fáciles de montar, pero en caso de avería en los componentes de refrigeración del aire comprimido podría darse una sobrecarga térmica de las tuberías. Material

Tuberías de acero sin soldaduras

Tuberías a rosca

Tuberías de acero inoxidable

Tuberías de cobre para instalaciones eléctricas

estirado o galvanizado, sin soldaduras acorde a EN10220 serie 1

Peso moderado acorde a DIN 2440 Pesadas acorde a DIN 2441 estirado o galvanizado

Sin soldaduras o soldadas acorde a DIN-EN ISO 1127

Blandas en anillos DIN-EN ISO 1057 Duras en longitudes rectas DIN 12449

Material

Por ejemplo: Ac. 37.0 acorde a EN10216-1

Sin soldaduras o soldadas Ac. 33.2 acorde a DIN17100

Por ejemplo, número de material 4301, 4541, 4571

Cobre

Dimensiones

da 10,2 - 660 mm

1/8“ - 6“ acorde a DIN EN 10242

6 - 273 mm

6 - 22 mm blanda 6 - 54 mm dura 54 - 131 mm dura

Sobrepr. de servicio admisible

da ≤ 219,1 mm pmáx = 64 bar 219,1 mm < da ≤ 660 mm pmáx = 25 bar

10 bar

Hasta 80 bar y a veces más alta

Según tipo 16 - 140 bar

Extremos de las tuberías

Lisos

Cónicos, lisos o con rosca

Lisos

Lisos

Empalme de tuberías

Soldadura

Rosca, soldadura

Soldadura (en atmósfera protectora)

Atornillada, soldadura blanda (ajustes), soldadura

Ventajas

Empalmes herméticos

Muchas piezas preformadas (con rosca)

Conexiones de tuberías herméticas Libre de corrosión

Libres de corrosión Paredes internas lisas

Instalación sólo por personal especializado Oferta limitada de piezas preformadas

La instalación requiere conocimientos especializados Posible formación de vitriolo

Tipo

Desventajas

Corrosión (en parte también con galvanización) Instalación por personal especializado

Corrosión (en parte también con galvanización) Alta resistencia al flujo y por rozamiento Fugas tras un largo periodo de servicio La instalación cuesta mucho tiempo por el corte de las roscas y el soldado Instalación por personal especializado

Tabla 5-7: Características de distintas tuberías de metal

Material

GIRAIR o similares

Poliamida

Polietileno

Polietileno reticular

Dimensiones

16 - 110 mm

2 - 40 mm

10 - 160 mm

10 - 160 mm

Norma

DIN 8061/62

DIN 16982

DIN 8074

DIN 16893

Sobrepr. de servicio admisible a 20 °C

12,5 bar

Hasta 100 bar

Hasta 10 bar

Hasta 20 bar

Extremos de las tuberías

Lisos

Lisos

Lisos

Lisos

Empalme de tuberías

Pegado

A rosca

Soldado

A rosca/conexión a presión

Ventajas

Sistema hermético Tuberías y piezas prefor-madas del mismo material, difícilmente inflamable

Altas presiones Alta resistencia química

Sistema hermético Tuberías y piezas preformadas del mismo material, inflamabilidad normal

Alta resistencia térmica, alta resistencia química

Instalación sencilla, bajo peso, resistencia a la corrosión Desventajas

En parte, limitación en dimensiones Mayor dilatación longitudinal En parte, inflamabilidad normal En parte, posible carga estática En parte, sólo garantía legal En parte, piezas preformadas de metal

Controlar cada caso concreto

Tabla 5-8: Características de distintas tuberías de aire comprimido de plástico Seminario de Aire Comprimido KAESER

14

5. Distribución del aire comprimido Plantilla de comparación de materiales La plantilla de comparación de materiales que le ofrecemos a continuación le será de gran ayuda al tomar una decisión sobre los materiales que vaya a utilizar. Hemos tenido en cuenta el coste de los materiales y el del montaje. Ejemplo: Debemos elegir el material para una red de tuberías de aire comprimido para los siguientes campos, por ejemplo: Aeronáutica, mecánica de precisión / óptica / relojería, carpintería, electrotecnia, industria textil, imprentas, industria de la alimentación, máquinas de oficina / procesamiento electrónico de datos, ingeniería industrial, química. Se trata de campos en los que la alta calidad del aire comprimido (sin corrosión) y las pérdidas de energía mínimas (tuberías herméticas y con paredes internas hidráulicamente lisas) son de vital importancia. Además, se esperan facilidad de montaje y una presión de servicio normal de 7 bar (s). Los distintos materiales se valoran con los siguientes signos: x = criterio cumplido 1 = muy bien, 2 = suficiente, 3 = con limitaciones 1) Tener en cuenta la DIN 2448 – acorde a la normativa de calidad según la DIN 1692

Criterios de Exigencia

Dimensiones hasta 50 mm hasta 100 mm más de 100 mm Presión hasta 10 bar hasta 12,5 bar más de 12,5 bar Corrosión/ Calidad del aire Temperatura hasta 20 °C hasta 50 °C hasta 80 °C más de 80 °C Comportamiento del flujo Comportamiento toxicológico

Exigencias particulares -

Tuberías de acero DIN 2440, 2441, 2448 estirado a rosca

estirado soldado

galvanizada a rosca

*

X X (X)

X X X

X X (X)

*

X (DIN2440/41) 1) X 1) X

* * *

X (DIN2440/41) 1) X 1) X

X (DIN2440/41) 1) X 1) X

galvanizada soldada X X X X (DIN2440/41) 1) X 1) X

Cobre DIN 1786, 17545

Acero inox. Plástico DIN 2462, Airline/ 2463 Airpipe, ABS

X X (X)

X X X

X X X

X X X

X X X

X (X) (X) 1

3

3

2

2

2

1

X X X X

X X X X

X X X X

X X X X

X X X X

X X X X

2

2

2

2

1

1

1

3

3

3

3

3

1

1

X (X) bis 8 bar -

Antiestática

1

1

1

1

1

1

3

Trabajo de instalación Personal Otros

3 X -

2 X -

3 X -

2 X -

2 X -

2 X -

1 X

Peso

3

3

3

3

3

3

1

Mantenimiento

3

2

3

2

1

1

1

3

1

3

1

1

1

1

8

6

7

5

4

3

3

Hermeticidad Suma Puntos de los criterios *

*

* = Marca de los criterios relevantes para la elección individual

técnicamente conveniente

Tabla 5-9: Plantilla de comparación de materiales

En este ejemplo, tanto el cobre, como el acero inoxidable y el plástico son convenientes desde el punto de vista técnico para la red de aire comprimido. Habría que comprobar otros aspectos para tomar la decisión. Seminario de Aire Comprimido KAESER

15

5. Distribución del aire comprimido

5.6

Instalación de redes de aire comprimido

5.6.1

Red de aire comprimido con / sin secador

Red de aire comprimido sin secador En las redes de aire comprimido sin secador, una buena parte del condensado se forma en la red de tuberías. Para evacuarlo, habrá que montar las tuberías en pendiente (al menos del 2 %) y adecuarlas con un drenaje de condensados en su punto más bajo. Las salidas que partan de la tubería deberán tener forma de cuello de cisne ascendente para que el condensado se quede en la tubería principal. Tubería con pendiente al menos del 2 ‰

Unidad de mantenimiento: filtro, separador de agua reductor de presión, lubricador

Compresor

Filtro Regulador de presión

Drenaje de condensados

Depósito de presión con purgador

Ilustración 5-12: Red de aire sin secador

Red de aire comprimido con secador Si la red de aire comprimido está equipada con un secador no será necesario instalar las tuberías con pendiente, y será posible que las salidas sean en horizontal.

Reductor de presión Reductor de preDi t ib ió sión,engrasador Compresor

Depósito de presión con purgador

Secador con purgador de condensados

Ilustración 5-13: Red de aire con secador Seminario de Aire Comprimido KAESER

16

5. Distribución del aire comprimido

5.6.2

Redes de aire comprimido instaladas en el exterior

Posible instalación de las tuberías Las tuberías de aire comprimido pueden instalarse en canales o en socavones Ventaja: no representan un obstáculo Desventaja: instalación costosa y difícil acceso, el separador de agua debe instalarse protegido contra congelación Las tuberías de aire comprimido se entierran Ventaja: bajos costes Desventaja: reparaciones y mantenimiento difíciles, el peligro de corrosión exige materiales resistentes a la corrosión Instalación de las tuberías de aire comprimido por encima de la tierra con soportes y sostenes Ventaja: coste relativamente bajo Desventaja: representan un obstáculo, peligro de congelación, deformación estética

En invierno: Si la tubería superficial es corta también será posible un punto de rocío de + 3 °C (gracias al secador frigorífico) con: Grandes secciones de tubería (evita congelación) Recalentamiento del aire comprimido al volver a entrar a la nave, instalando por precaución un purgador de condensados / filtro. Ventilación de la tubería durante las fases de parada Calentamiento del tramo correspondiente de tubería

Válvula de salida

Tubería de condensado

Orificio de inspección

Carcasa protectora

Separador de agua

Tubería de aire comprimido

Elementos de hormigón

Ilustración 5-14: Separador de agua instalado en el exterior protegido contra congelación

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17

5. Distribución del aire comprimido

5.7

Identificación de tuberías

Acorde a la norma DIN 2403, es imprescindible identificar claramente las tuberías según el medio que transportan por razones de seguridad, para facilitar una instalación correcta y una extinción eficaz de posibles incendios. Esta identificación debe informar sobre los peligros con el fin de evitar accidentes y daños a la salud. La identificación en los colores que estipula la norma DIN 2403 informa claramente in situ sobre el medio transportado por la tubería. La identificación por colores deberá estar presente: al principio al final en las derivaciones en los puntos donde se atraviesan paredes en los elementos de grifería y a todo lo largo de la tubería por medio de anillos de colores Medio

Grupo 1 2 3 4 5

Color del grupo verde rojo gris amarillo amarillo

Número del color RAL 6018 RAL 3003 RAL 7001 RAL 1012 RAL 1012

Color adicional rojo negro

Color de las letras blanco blanco negro negro negro

Agua Vapor de agua Aire Gases inflamables Gases no inflamables Ácidos Sosa cáustica Líquidos inflamables Líquidos no inflamables Oxígeno

6 7 8

naranja violeta marrón

RAL 2000 RAL 4001 RAL 8001

rojo

negro blanco blanco

9

marrón

RAL 8001

negro

blanco

0

marrón

RAL 5015

-

blanco

Tabla 5-10: Identificación de medios

Carteles El texto de los carteles pueden ser números identificativos

3.1

o palabras Aire comprimido 8 bar

8 bar

Dirección del flujo N.º del subgrupo N.º del grupo

Género de material para aire comprimido

GRIS = Color del grupo 3 ”Aire” RAL 7001 Seminario de Aire Comprimido KAESER

18

6.

Sistemas de control

6.1

Introducción

6.2

Control interno del compresor

6.2.1 6.2.2 6.2.3 6.2.4 6.2.5 6.2.6 6.2.7

Modo de control simple Modo de control Dual Modo de control Quadro Modo de control Vario Modio de control por Modulación Variación de velocidad Accionamiento (drive) controlado por frecuencia (SFC)

6.2.7.1 6.2.7.2 6.2.7.3

Accionamiento (drive) de corriente directa Control con motor de dos velocidades Control con acople hidráulico

6.2.8

Control SIGMA

6.3

Controladores Maestros

6.3.1 6.3.2 6.3.3

Distribución de carga Relación de tamaño de los compresores Control por banda de presión, control en cascada

6.3.3.1 6.3.3.2 6.3.3.3

Control en cascada Control por banda de presión Ejemplos de secuenciamiento de compresores de tonillo y compresores de pistón

6.3.4 6.3.5 6.3.6 6.3.7 6.3.8

Secuenciamiento basado en MAC 41 Controlador maestro MVS 8000 Tecnología de centro de control VESIS SIGMA AIR MANAGER Tele servicio

6.4

Resumen

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1

6. Sistemas de control

6.1 Introducción En el comercio y en la industria el aire comprimido es la forma de energía más utilizada seguido de la energía eléctrica. Nos familiarizamos con el equipo eléctrico durante nuestra niñez pero la importancia, la aplicación y las ventajas de la energía del aire comprimido se encuentran raramente. Es un hecho que la tecnología de aire comprimido no es cubierta por el programa escolar normal y que es un tópico raro en conferencias dadas en universidades técnicas y facultades. Este capitulo pretende contrarrestar esta omisión y compartir algo de conocimiento de potenciales ahorros energéticos de controladores modernos y sistemas secuenciadores. Todavía hay muchos compresores sin coordinar en incontables instalaciones a través de la industria. En estas instalaciones, hay una pobre relación entre el aire comprimido generado y la demanda de aire verdadera. La demanda de aire puede ser extremadamente variable, dependiendo del turno de trabajo y de la tarea requerida y, si la producción de aire no está en función de la demanda, el resultado es el uso ineficiente de la energía, especialmente bajo condiciones de carga parcial, e innecesarios costos para el usuario. Los costos energéticos pueden representar hasta un 87% del total de los costos de generación, dependiendo del número de horas en operación anuales. En el pasado, muchos usuarios trataron de ajustar el suministro de aire con la demanda instalando un número de compresores más pequeños en lugar de un compresor grande, y encendiéndolos en fases para cumplir con el incremento de demanda. La desventaja de esto era que el encendido de los equipos disponibles en ese tiempo, requería un incremento de 1 a 2 bar(g) en la presión final, para hacer posible esas secuencias, con resultado de incremento de potencia a un ritmo de 6% por cada bar(g) adicional de presión. Los transductores de presión electrónicos y los PLC o controladores basados en PC ofrecen gran ayuda al respecto. Los fabricantes modernos ofrecen muchas posibilidades de variar la salida de una estación de aire comprimido para ajustarse a la demanda de aire del usuario, desde controladores para compresores individuales hasta sistemas de control maestros o “administradores de aire” como son conocidos algunos de los más avanzados. Este capítulo explica lo que pueden hacer estos los sistemas, sus fortalezas y debilidades y en que áreas de aplicación estos pueden ofrecer la solución más económica. El interrogante de que tipo de controlador y que dimensión de compresor es la correcto para una aplicación particular, puede ser solucionado adecuadamente, cuando el volumen de aire comprimido requerido durante un período específico es conocido. Es recomendable no basarse en estimaciones sino medir y calcular la demanda tan exactamente como sea posible durante todo el período de trabajo.

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2

6. Sistemas de control

6.2 Control Interno del Compresor 6.2.1 Modo Simple de Control La forma mas simple de control de un compresor es encendido/apagado, como el que se encuentra normalmente en compresores de pistón. El compresor es controlado al arrancar el su motor cuando la presión cae a un valor fijado y deteniéndolo cuando un valor máximo se alcanza. La diferencia de entre estos dos valores fijados, el diferencial (Δp) de maniobra, debe ser algo alto, alrededor de 2 bar(g), para evitar arranques muy frecuentes del motor.

6.2.2 Modo de control Dual Uno de los tipos más económicos de control simple es modo de carga-vacío-encendidoapagado conocido como control Dual. Dual indica que el controlador incorpora dos temporizadores: uno determina el tiempo durante el cual el motor trabaja en estrella antes de cambiar a delta, y el otro controla el tiempo durante el cual el motor corre en vacío antes de apagarse. Este tiempo en vacío es esencial para prevenir que el motor exceda el numero máximo de arranques por hora especificados por el fabricante. El compresor trabaja bajo carga, llenando el tanque de aire y la red. Cuando el valor fijado como presión máxima pmax es alcanzado, el compresor detiene la acción de entregar aire pero el motor continúa en vacío por el tiempo predeterminado. Si el aire es evacuado del sistema de tal manera que la presión mínima pmin es alcanzada antes que el tiempo de vacío transcurra, el compresor entra para entregar aire y el motor continúa funcionando bajo carga y cuando pmax es alcanzada de nuevo, el compresor sale de nuevo y el tiempo de vacío empieza a correr de nuevo. Si el tiempo de vacío del motor transcurre antes que la presión caiga da pmin el motor se detiene y arranca de nuevo cuando se alcance pmin. El modo de control Dual es utilizado normalmente por el compresor de carga de picos para evitar arranques de motor muy frecuentes. presión

pmax

10

20

% Potencia del Motor

pmin

carga t2 vacío paro

Fig.6-1: modo de control Dual t l d

Tiempo t2 = tiempo en vacío

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3

6. Sistemas de control 6.2.3 Modo de control Dual Para optimizar el costo de energía, se recomienda un tipo de modo de control que puede seleccionar automaticamente entre operacion carga-vacío-paro-arranque (Dual) y simple operacion carga-paro-arranque según la demanda de aire, y este se llama modo de control Quadro. Todos los controladores de los compresores de tornillo KAESER son capaces de trabajar en modo Quadro y, al minimizar tiempo en vacio, pueden alcanzar un ciclo de trabajo de alrededor del 90%. El modo de control Quadro es normalmente seleccionado para maquinas de cargas base y carga media. El modo Quadro usa cuatro temporizadores: 1. tiempo estrella-delta (t1) 2. tiempo en vacío (t2) 3. tiempo en carga (t3) 4. tiempo de venteo (t4) El motor arranca en estrella y despues que t1 ha transcurrido , cambia a delta, en cuyo punto el tiempo de carga t3 empieza. Si este tiempo acaba antes que se alcance pmax la maquina al alcanzar pmax puede apagarse antes que el corto tiempo de venteo t4 haya transcurrido sin correr en vacio (1). Si el motor ya esta corriendo en vacio este puede apagarse inmediatamente (2). El Segundo temporizador arranca cuando la maquina cambia a vacío. Si la maquina corre en vacío mas prolongadamente que el periodo temporizado, esta puede cambiar directamente de carga a paro en su siguiente periodo sin necesidad de ir a vacío excepto por el corto periodo de venteo (t4)) (3). Si los tiempos restrictivos no se activan, la maquina corre por el tiempo normal de vacío (t2) después de alcanzar pmax como en control Dual, mas el tiempo de venteo (t4) (4). Presión

pmax

% de potencia del motor

pmin

100

20 0

t3

t3

t2 t2

vacío paro 2 Fig.6-2: modo de control Quadro t l d

% de potencia del motor

t3

t2

carga

3

1

Tiempo

4

100

20 0

carga

tL

tL

tL

tL

tL

tL

tL

tL

vacío paro Tiempo Fig.6-3: ahorro de Quadro sobre Dual Seminario de Aire Comprimido KAESER

tL = tiempo en vacío (modo Dual) 4

6. Sistemas de control

Ejemplos de modo de control Quadro Ejemplo 1 la maquina esta en paro y el tiempo de paro a expirado. Cuando el compresor corre de nuevo y alcanza la presión de desconexión (cut-out) pmax este puede ir directamente a paro sin ir a vacío, excepto por el corto tiempo para venteo. Ejemplo 2

el motor del compresor corre y el periodo de correr temporizado esta acabando. Cuando el periodo ha terminado, la maquina puede parar inmediatamente de que se alcance la presión de salida o, si ya esta en vacío, este puede parar inmediatamente.

6.2.4 Modo de control Vario En modo de control vario, el tiempo de vacío varia dependiendo del ciclo de carga previo y numero de arranques del motor, por ejemplo cada tiempo de vacío es calculado individualmente basado en que ha pasado antes y el numero permisible de arranques por hora del motor. En modo de control vario, el compresor siempre cambia primero a vacío cuando la presión maxima es alcanzada. Entonces el control Sigma asume sobre el desarrolo de la demanda de aire y, tomando en consideracion datos actuales de operacion, calcula que tanto tiempo debe correr el compresor en vacio, de tal manera que no exceda el numero maximo de arranques por hora del motor. La maquina pasa a paro cuando el periodo calculado de vacío ha expirado. Si la demanda de aire real es diferente de la esperada por el controlador y los arranques del motor mas frecuentes de lo pretendido, el controlador simplemente extiende el tiempo de corrido en vacío de tal manera que la maquina cambie después de vacío a paro. Esto produce un compromiso económico entre tiempo mínimo en vacío y optima disponibilidad del compresor. El modo Vario es particularmente adecuado para compresores de carga base y maquinas de media carga. Presión

pmax pmin

20 0

% carga del motor

10

carga

vacío paro tiempo

1 hora Número máximo de arranques del motor 6 /h h

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Fig. 6-4: modo de control Vario

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6. Sistemas de Control

6.2.5 Modo de control de modulación Control de modulación significa variar la entrega del compresor al variar proporcionalmente la válvula de admisión para regular el volumen de aire que el compresor admite. Este modo de control no tiene perdidas únicamente a plena carga, también en cargas parciales, sin embargo, cuando la válvula de admisión esta parcialmente cargada para regular el volumen de entrada, el consumo de potencia del motor no es reducido proporcionalmente. Al 50% de la entrega máxima, de hecho, el motor esta requiriendo el 84% del la potencia necesaria de operación a plena carga. Este tipo de control es más adecuado en donde se ha instalado un tanque de almacenamiento de aire muy pequeño o ninguno, como el caso de compresores en lugares de construcción.

100% 100 90 90

100 80 60 40 20

80 80

Motor consumo de potencia [%]

70 70 60 60 50 50

100 92-93 84-87 77-81 69-75

40 40 30 30

Presión en carga

Consumo de Potencia del motr en %

Delivery [%]

Presión en vacío

20 20 10 10 0 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10

0 0

Delivery in % Fig. 6-4: curva de potencia de modulación presión

pmax pmin

regulating pressure

100 carga Consumo de potencia en %

t2

1 t2

vacío 20 0

paro Time t2 =tiempo vacío Fig. 6-5 :control de modulación

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6. Sistemas de control

6.2.6 Velocidad Variable Variar la velocidad del compresor da una variacion proporcional en la velocidad de la unidad compresora. Los accionamientos de velocidad variable pueden entregar aire de manera económica cuando estan conectados a compresores de tornillo con caracteristicas bien consideradas, de otra manera, estos pueden resultar en mayores costos energeticos. La diferencia en la calidad de diseño se puede discernir cuando se considera un desempeño a máxima carga. Una máquina bien diseñada con un tamaño adecuado de unidad compresora puede tener máximo desempeño continuamente, en donde una máquina inferior, con un rango de regulación mayor y una unidad compresora mas pequeña, rápidamente muestra su inferioridad cuando se le requiere toda la carga a cualquier duracion de tiempo. La unidad compresora debe correr a mayor velocidad, perdiendo eficiencia, haciendo mas ruido y requiriendo mas mantenimiento. Estos puntos aplican a todos los compresores de velociad variable. Requerimientos de Potencia específica en el rango de regulación de entrega

Curva de arriba compresores con un rango de regulación del 90% muestran un mínimo de requeriminto de potencia especifica a 9 m³/min.

Area rayada energía ahorrada por la maquina con la unidad compresora mas grande.

Requerimiento de potencia especifica (kW x min) / m³

Curva de abajo compresor con un rango de regulación del 60% muestra un mínimo de requerimiento de potencia especifica a 14 m³/min.

Unidad pequeña

Unidad grande

Fig. 6-6: requerimiento de potencia especifica diferentes unidades

Entrega en m³/min

Las siguientes páginas describen varios modos de control internos usando variación de velocidad.

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6. Sistemas de Control

6.2.6.1 Accionamientos controlados por frecuencia Bajo control de frecuencia, el compresor llena el tanque de aire y la red en carga hasta la presión de regulación sea alcanzada. En este punto la unidad con control de frecuencia ajusta la velocidad del motor para tratar de mantener presión al valor de regulación. Si no se saca aire del sistema, la presión se incrementa, a pesar de disminuir la velocidad del motor, hasta que se alcance pmax, en donde en compresor cambia a vacío por un tiempo programado (t2), como en el modo de control Dual. Si este tiempo expira antes que la presión caiga a pmin el motor pasa a apagado. Presión

pmax Presión de regulación

100

Potencia del motor %

pmin

t2

carga

20 0

t2

vacío

parol tiempo

t2 =tiempo vacío Fig. 6-7:Motor controlado por frecuencia

100 Actual power relationship

90 80 Electric power consumption in %

Como se ilustra en la figura 6-8, el rango óptimo de trabajo de un compresor controlado por frecuencia no es principalmente en 100% de su capacidad. Estos están usualmente diseñados para tener su punto óptimo al 65% del consumo energético y más allá de esto, para su mejor requerimiento de potencia específica. Un factor contribuyente para esto es el requerimiento de potencia del convertidor de frecuencia mismo que permanece constante en 3-5 % de la potencia de todo el rango de entrega.

70 Ideal line

60 50

Load pressure

40 30

Idling pressure

20 10 100

0

Delivery in %

Fig. 6-8: Power curve of a screw compressor

El accionamiento de velocidad variable es, sin embargo, una solución económica en ciertas circunstancias, particularmente en donde un compresor grande conmuta frecuentemente a vacío o en donde la aplicación requiere una presión muy estable.

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6. Sistemas de Control

Función del controlador de frecuencia El variador de frecuencia es alimentado por una fuente principal normal de 50Hz (60Hz) en donde la corriente primero es rectificada y filtrada antes de ser convertida por switcheo electrónico en corriente alterna trifásica. La frecuencia de esta salida puede ser variada entre 15 y 50 Hz (60Hz), por ejemplo, y con ello variar la velocidad del motor que consecuentemente suministra el volumen de entrega del compresor.

V principal

V rectificado

V filtrado

V convertidor

I motor

Fig. 6-9: Motor controlado por frecuencia

Bajo carga parcial, digamos 50% de la máxima entrega, el consumo de corriente, dependiendo de la unidad compresora, está entre el 50 al 55% del máximo. Los compresores controlados por frecuencia son usados en conjunto con compresores de velocidad fija para operar continuamente y regulado para mantener el ritmo con la demanda pico. Un análisis detallado de perfil de demanda, usando las herramientas de ADA y KESS desarrolladas por KAESER, pueden determinar si una máquina controlada por frecuencia o múltiples compresores (splitting) es la mejor solución para una aplicación específica.

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6. Sistemas de Control

6.2.6.2 Control de corriente directa El comportamiento del control de DC, bajo condiciones de carga parcial, es el mismo que con el de controladores de frecuencia, la curva de potencia en 6.2.6.1 también aplica. Función Motores paso a paso modernos tienen los devanados en la carcaza (estator) y los imanes permanentes montados asimétricamente en el eje para asegurar encendido en la dirección correcta. Los devanados producen campos magnéticos secuenciados en la dirección de rotación y al variar la frecuencia de secuencia varia la velocidad de rotación del motor. devanados Eje con imanes permanentes

Fig. 6-10: variación de velocidad, motor stepper DC

Presión

pmax

100

20 0

Potencia motor %

Regulating pressure pmin

carga

t2

t2

vacío paro tiemp t2 = tiempo vacío Fig. 6-11: Regulación DC

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6.2.6.3 Control con motor de dos velocidades En una aplicación donde, por ejemplo, solo la demanda del primer turno se aproxima al 100% de la capacidad del compresor y en el segundo turno es mucho menor, digamos 50%, las diferncias en los niveles de demanda pueden ser ajustados con un compresor con motor de dos velocidades. El motor puede operar entre unas 1500 rpm y 750 rpm para reducir el volumen de entrega del compresor por la mitad. El modo de conrtol Dual es utilizado en ambos casos de tal manera que, cuando cae la demanda, el compresor pasa a vacío por un tiempo específico y entonces, si la demanda no incrementa, el motor se detiene. Presión

Alta velociad

baja velocidad 1st. shift

2nd. shift

pmax pmin

20 0

Motor power in %

100

t2

carga t2

vacío paro t2 =tiempo vacío

tiempo

Fig. 6-12: motor de 2 velocidades

6.2.6.4 Control de acople hidráulico El uso de acople hidráulico es la forma menos adecuada de regulación de la entrega de los compresores de desplazamiento. Estos dispositivos incrementan el costo de inversión de la máquina y no dan ahorros en consumo de potencia en cargas parciales.

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6. Sistemas de Control

6.2.7 Control SIGMA

Fig. 6-13: panel de operador Sigma Control

Con varias posibilidades de operación, como la interfase Standard Profibus, el CONTROL SIGMA es la elección perfecta para comunicar en red los compresores con el administrador de sistema de aire comprimido SIGMA AIR MANAGER. Los previamente programados modos de control Dual, Quadro, Vario y Control Continuo habilitan al SIGMA CONTROL a ajustar con precisión el consumo de potencia del compresor con la demanda de aire actual. Programas para control por modulación y control por frecuencia están incluidos en la memoria para ser activados cuando se requieran. El resultado es aun mayores ahorros energéticos, ya que fases costosas en vacío del compresor son reducidas a un mínimo absoluto.

HAUPTANTRIEB STEHT, BREMSE IST AKTIVIERT WERKZEUGWECHSEL VORBEREITEN

PROFIL

Hardware: · Computadora Industrial (SICOMP) con microprocesador Intel · Pantalla completamente grafica · Alimentación 24 V completamente estabilizada · Relés de 250 V, salidas a transistor en 24 V · Standard industrial demostrado

BS61

PROFIL

BS61

PROFIL

BS61

PROFIL

BS61

comunicacion: Software: · Todos los compresores · 5 modos diferentes de conectados pueden ser control monitoreados · Temporizadores · 3 puertos seriales: programables - Modem RS 232 · Memoria de eventos RS 485 para control · Textos de información esclavo maestro · Actualizable - Profibus · Compatible con Simatic · Salidas analógicas de · Un software para todos los 4-20 mA modelos de compresores · Contactos a relé · Conexión compatible globalmente

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6. Sistemas de control Pantalla de despliege de texto Displaybereich mit Klartextanzeige

Función básica: Grundfunktion: ON/OFF EIN/AUS Ampelfunktionen Funciones de semáforo Erweiterte Funciones Funktionen extendidas

Luces indicadoras fácilmente entendibles, similares al semáforo: Rojo: alarma Amarillo: mantenimiento/advertencia Verde: operacional Fig. 6-14: Luces de indicacion del Sigma Control

El controlador SIGMA es sencillo y fácil de operar y ofrece funciones intuitivas: · · · · · · · · ·

· · · · · ·

Pantalla grande, en 30 idiomas Temporizadores con 4 programaciones por dia, semana y año Cambio carga base entre dos compresores Modos de control Dual, Quadro, Vario y Continuo Señal de entrada para encendido y apagado remoto Señal de entrada para carga/vacío remoto Alarma externa por ejemplo para secador refrigerativo Alarma externa para mantenimiento por ejemplo para ECO DRAIN Relé libres de potencial con contactos para: Controlador encendido, alarma de grupo, y motor encendido; relé de contacto de conmutación libre de potencial definido por el usuario para: compresor encendido, advertencia en grupo, operación remota, vacío, cargando, temporizador activo, contacto del temporizador, paro de emergencia, alarma del bus u comunicación, presión muy baja. Contacto de conmutación de “motor encendido” para sistemas de ventilación con relé libre de potencial, máximo 3 A, 230 V ±10% Contadores de intervalos de mantenimiento, datos medidos e indicadores de estado. Puerto RS 232 para modem o impresora, puerto RS 485 para compresor esclavo, Profibus DP Circuito de protección para compresor Transductor electrónico de presión Entradas y salidas configurables para funcionalidades adicionales. Seminario de Aire Comprimido KAESER

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6.3 Controladores Maestros 6.3.1 Distribución de carga El uso de controladores internos del compresor y controladores maestros o “Administradores de Aire” permiten producción económica de aire comprimido incluso bajo condiciones de carga parcial con distribución de carga sobre un número de compresores. Las diferentes opciones se dan de la siguiente manera: Por ejemplo: repartir la carga

1 x 15 m³/min

1 x 15 m³/min

1 x 15 m³/min

3 x 7.5 m³/min

1 x 9 m³/min

2 x 6 m³/min

Fig. 6-15: ejemplo de repartición de carga

Una fábrica trabaja tres turnos con las siguientes demandas de aire: Primer turno: 15 m³/min Segundo turno: 12 m³/min Tercer turno: 6 m³/min

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6. Sistemas de Control

Existen numerosas posibilidades de configuración de maquinas y una decisión debe tomarse según sea lo mas adecuado.

1. Un único compresor entregando 15 m³/min Las condiciones para cada turno son: Primer turno: Segundo turno: Tercer turno:

buena eficiencia, no hay respaldo. el compresor esta cargado parcialmente, la eficiencia es reducida, no hay respaldo el compresor esta cargado al 30% de carga, la eficiencia se reduce aun más, no hay respaldo.

2. Dos compresores, cada uno entregando 15 m³/min Primer turno: Segundo turno: Tercer turno:

buena eficiencia, respaldo completo. solo uno de los compresores esta parcialmente cargado, la eficiencia se reduce, respaldo completo. solo un compresor esta cargado 30%, la eficiencia se reduce aún mas, respaldo completo.

3. Tres compresores. Cada uno entregando 7.5 m³/min Primer turno: Segundo turno: Tercer turno:

buena eficiencia, respaldo completo el compresor de punta esta cargado parcialmente, se reduce levemente la eficiencia, respaldo completo. buena eficiencia, el compresor punta es capaz de cubrir toda la demanda, respaldo completo.

4. Un compresor, entregando 9 m³/min y dos entregando 6 m³/min Primer turno: Segundo turno:

Tercer turno:

buena eficiencia, casi respaldo completo con la maquina en reserva el compresor para carga punta esta cargado parcialmente, unicamente se encuentra una leve reduccion de la eficiencia, respaldo completo con la maquina en reserva. buena eficiencia, el compresor para carga punta cubre la demanda, respaldo completo.

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6. Sistemas de Control

6.3.2 Relación de tamaño de los compresores La relacion de las capacidades de los compresores (entrega) uno con otro es importante para la correcta regulacion de multiples conpresores cuando se divide la carga. Agujeros en el control Si se utilizan diferentes tamaños de compresores para suministrar la carga base, media y de puntas y estas capacidades no se sobreponen, ocurre lo que se llama agujero de control. Los agujeros de control tambien ocurren cuando un compresor de velocidad variable es usado para cubrir las cargas punta y el rango de control de la entrega de esta maquina es menor que la entrega de la próxima máquina que se arranca. Como lo ilustra la figura 6-16, un agujero de control ocurre en el momento en que la demanda de aire supera la entrega del compresor de regulación (en este caso el compresor de velocidad variable). El controlador enciende una maquina base que es demasiado grande y el compresor de velocidad variable no puede disminuir la velocidad suficientemente para ajustarse a la demanda. Esto provoca que la maquina de carga base entre y salga muy frecuentemente por operación económica. La presión de la red se altera fuertemente y no se puede lograr presión estable, esta es una situación ineconómica. El dimensionamiento incorrecto de compresores de carga base, media y puntas es el error mas común en la planificación de estaciones de compresores y no lo puede aliviar el controlador maestro. Repartición de carga usando compresor de entrega variable – Agujero de Control Anlagensplittung Agujero de control

Carga punta

Rango de control

Carga Carga base 3 punta

agujero de control Entrega/ demanda

Rango de control Carga punta

Agujero de control

-

Carga base 2

Carga base 2

Rango de control Demada punta

Carga base 1

Carga base 1

Carga base 1

Compresores en linea

Fig. 6-16: compresores para carga punta muy pequeños crean agujeros de control

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6. Sistemas de control

Usando un compresor de entrega variable en combinación de máquinas de entrega fijas. El rango de entrega de las máquinas de entrega variable debe ser mayor que el volumen de entrega de las maquinas de carga media y base. La figura 6-17 indica el arreglo con un compresor de entrega variable para carga punta correctamente dimensionado. Cuando la demanda excede la entrega de la máquina de carga media, el compresor de entrega variable puede sobre pasar el suministro.

División de carga con un compresor de entrega variable para carga punta Rango de regulación

Air delivery / demand

Rango de regulación

Rango de regulación

Rango de regulación

Gap de control

Carga punta

Carga punta

Carga media 1

Carga punta Carga media 1

Carga base 1

Carga base 1

Entrada de Fig. 6-17: dimensionamiento correcto de un compresor de entrega variable para cargas punta

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6. Sistemas de Control

Agujeros de control también pueden ocurrir cuando se divide la carga utilizando múltiples compresores pequeños para el pico de carga (ver figura 6-19). Su volumen de entrega debe ser tan grande o preferiblemente mayor que las correspondientes maquinas para carga media y base, si no ninguna regulación final ni ahorro de tiempo en vacío será posible. Esto ilustra la importancia del dimensionamiento correcto de compresores para funcionamiento correcto de control y la necesidad de planeamiento detallado del sistema de aire comprimido.

Entrega/demanda

División de la carga con compresores convencionales

Carga pico 2 Carga pico 2 Carga pico 1 Carga pico 1

Carga pico 2

Carga media 1

Carga pico 1

Carga pico 1 Carga media 1

Carga pico 1

Carga base 1

Carga pico 1

Carga base 1

Compresores en línea Fig. 6-18: compresores en linea en la zona de carga pico

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6.3.3 Control de banda de Presión, control en cascada 6.3.3.1 Control en cascada El método clásico de controlar un grupo de compresores es el control en cascada. A cada compresor individual se le asigna valores de presión máximos y mínimos (pu, po) para que sumen o resten capacidad de compresores para suplir la demanda del sistema. Cuando la demanda de aire es baja, solo un compresor entra y la presión asciende y fluctúa en el rango superior entre los valores mínimo (pmin = pu) y máximo (pmax = po) de este compresor, la presión cae cuando la demanda de aire es mayor y varios encienden para satisfacerla (Fig. 6-19). De esto resulta una relativamente alta fluctuación general de presión con valores máximos muy por arriba de la presión de trabajo nominal, incrementando significativamente fugas y sus consecuentes perdidas de energía. Por otro lado, si el consumo es alto, la presión cae bien por debajo de valor de presión nominal y se tiene una reducción de la reserva de presión en el sistema.

Presión [bar] 8.5 8.0 7.5

p Compresor 1

7.0

C2 C3 C4

p

6.5 p muy baja (alarma)

tiempo

Fig. 6-19: cascada de 4 compresores

Control en cascada con interruptor de presión de diafragma Si se utiliza un interruptor de presión o manómetros para el control en cascada entones generalmente el valor mínimo de diferencial entre presión de entrada y salida debe ser fijado a 0.5 bar por cada compresor individual, y cada punto de conexión debe traslaparse en por lo menos 0.3 bar. El numero máximo de de compresores que deberían ser controlados de esta manera es cuatro, y esto generalmente resulta en una variación acumulada de presión de 1.4 bar para el grupo. Control en cascada utilizando interruptores de presión electrónicos El uso de transductores de presión electrónicos reduce el diferencial de conmutación de presión en los compresores individuales a 0.2 bar y también permite la reducción en el escalonado entre puntos de conmutación de los compresores. Esto puede producir una reducción de la presión acumulada del grupo a 0.7 bar. Como ya se ha mencionado, no se deberían de controlar mas de cuatro compresores con control de cascada, de otra manera existe el peligro de que la potencia requerida y las perdidas por fugas sean extremadamente altas por la gran fluctuación de presión Seminario de Aire Comprimido KAESER

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6. Sistemas de Control

6.3.3.2 Control por Banda de Presión Sin duda, el método más moderno y eficientemente energético para coordinar compresores múltiples es el control por banda de presión. La operación de cualquier número de compresores puede ser coordinada para mantener presión del sistema en un rango llamado banda de presión. Una condición vital, sin embargo, es el uso de un PLC secuenciador, o mejor si es una computadora industrial con inteligencia de control. Control por banda de presión de compresores múltiples (MVS / SAM / VESIS) p/bar

dpo1 dpu1

dpo2 dpu2

po2 = wp + dpo2 po1 = wp + dpo1 wp (set pressure) pu1 = wp - dpu1 pu2 = wp - dpu2 p low

tu1

to1

t/s

Fig. 6-20: control por banda de presión

Descripción Si la presión del sistema cae por debajo del valor consigna de presión wp menos dpu1 o dp2 como diferencial de conmutación, el controlador revisa primero los compresores por operar en el grupo actual que no estén encendidos bajo carga y que son seleccionados. Entonces el selecciona de estos el compresor con menos horas acumuladas de operación y lo pone en carga. Si la presión del sistema no exceda pu1 después un periodo especifico tu1, el siguiente compresor es puesto en carga. Si la presión del sistema sube al valor consigna dp 1, el compresor con mayor cantidad de horas de operación es conmutado a vacío. Si la presión del sistema se mantiene arriba de po1 durante el periodo especificado to1, el siguiente compresor es puesto en vacío. El control por banda de presión trabaja con un diferencial de conmutación mucho menor que el control por cascada, permitiendo una reducción en la presión máxima que los compresores tienen que alcanzar, con un consecuente ahorro en energía (tomando en cuenta fugas).

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6. Sistemas de Control

6.3.3.3 Ejemplos de secuencias de compresores de tornillo y compresores de pistón. Ejemplo 1 Naturalmente, es posible operar compresores de pistón y compresores de tornillo juntos y es más común encontrarlos en empresas pequeñas en donde los compresores de pistón han sido parcialmente sustituidos por compresores de tornillo. En esas aplicaciones, los compresores de tornillo deben siempre trabajar como compresores de carga base y en mas ventajoso si el compresor de pistón tiene capacidad de irse a vacío. Si el compresor de pistón tiene el control mas común que es el de encendido/apagado, se deben esperar fuertes fluctuaciones de presión (figura. 6-21), cuando el compresor de tornillo es forzado a operar con el mismo diferencial de conmutación que el del compresor de pistón (control en cascada). Compressor de tornillo/ carga base

Compressor de Piston/ carga punta red “ptrabajo"

6,5 7,5 9 10 12

Compresor de tornillo Control de vacío Δp=0.5 bar ON: Vacío: ON: vacío: ON: Vacío: ON: vacío: ON: Vacío:

7,0 7.5 8.0 10 9.3 10 11 13 12,2 13

Max. compressor pressure in bar

Required minimum working pressure p in bar

Fig. 6-21: ejemplo de secuencias 1

Pistón compresor + tanque Con control stop/startΔp = 2 bar

7.5 10

ON: OFF:

ON: OFF:

ON: Vacío:

6.5 7.3

ON: Vacío:

9.0 9.8

ON: Vacío:

12 12.8

7.5 9.5

10 13

vacío Δp = 0.8 bar

10 12

13

Fig. 6-22: Ejemplo 1. Secuenciamiento de compresores de tornillo y pistón

Explicación de la figura 6-22 con mínimo de 6.5 bar y control con vacío Las presiones de trabajo mínimas y máximas requeridas en la red son 6.5 bar y 7.5 bar respectivamente. El compresor de tornillo entra primero a 7 bar para suministrar la carga base con el compresor de pistón entrando a 6.5 bar para manejar la carga punta. Si la demanda cae y la presión aumenta, el compresor de pistón pasa a vacío cuando se alcanzan 7.3 bar, seguido por el compresor de tornillo a 7.5 bar. Si la demanda de aire se incrementa de nuevo y la presión cae a 7.0 bar, el compresor de tornillo entra de nuevo y trata de cubrir la demanda. Solo si esto no es posible y la presión continua cayendo entonces enciende nuevamente el compresor de pistón 6.5 bar.

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6. Sistemas de Control

Ejemplo 2 En este ejemplo, el compresor de pistón tiene únicamente control encendido/apagado, por su amplio rango de presión este no tiene influencia directa en el diferencial de conmutación del compresor de tornillo (figura 6-23). La válvula permite la entrega de aire del compresor de pistón al tanque de almacenamiento y a la red únicamente cuando la presión de la red es mas baja que el seteo de la válvula. Esto significa que el tanque almacenador propio del compresor de pistón esta siempre a mas alta presión que la red.

Tanque de aire

red p trabajo Compresor de tornillo/ carga base

12

ON: Vacío:

7.1 7.5

ON: Vacío: ON: Vacío:

9.2 10 12.2 13

7.5 10 13

compresor de piston + tanque control start/stop Δp = 2 bar

ON: OFF:

8 10

ON: OFF: ON: OFF:

10 12 13 15

Reduction valve setting in bar

Con control de vacío Δp=0.5 bar

Highest pressure of existing machine in bar

Required min. working pressure p in bar

9

Compresor de tornillo

Highest machine pressure in bar

Compresor de pistón / carga punta

Fig. 6-23: ejempo 2

7

Válvula

10

7

12

9

15

12

Fig 6-24: Ejemplo 2. Secuenciamiento de compressor de tornillo y pistón.

Explicación de la encendido/apagado

figura

6-25

con

presión

mínima

de

7

bar

y

control

Las presiones de trabajo requeridas mínimas y máximas son 7 bar y 7.5 bar respectivamente. El compresor de pistón trabaja autónomamente como máquina para carga punta, manteniendo la presión en su propio tanque entre 8 y 10 bar. El compresor de tornillo trabaja para suministrar la presión base, entrando a 7.1 bar y llenando el tanque y la red a su presión máxima de 7.5 bar. Este compresor entra cuando la presión cae más allá de 7.1 bar pero si su rango de suministro es insuficiente para satisfacer la demanda y la presión cae mas allá de 7 bar, la válvula reductora abre permitiendo pasar aire del tanque del compresor de pistón para llenar la red y establecer diferencia. Seminario de Aire Comprimido KAESER

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6. Sistemas de Control

6.3.4 Secuenciador de carga base MAC 41 El MAC 41 combina una unidad de display, una unidad de control digital, un reloj de 7 días y un transductor de presión en una carcaza compacta. El MAC 41 secuencia 2, 3 o 4 compresores (incluyendo compresores de diferente capacidad) según la demanda de aire actual con control en cascada. El uso de un único sensor de presión común asegura que la presión de red sea mantenida en una banda estrecha.

PR OG

MAC 41

Fig. 6-25: Secuencia con MAC 41

Funciones · Seteo simple y preciso de la presión de entrada y salida de los compresores, con un diferencial de 0.1 bar. · Cambio automático al switch de presión interno de los compresores en el caso de falla, y señalamiento de la falla con un contacto con un relé libre de potencial. · Progamación llevada por menú con 3 teclas. · Control en respuesta de la demanda. · Conexión directa y simple a los compresores a través de una sola línea. · Seteo por grupos o número de compresores (incluso maquinas de diferentes tamaños). · Display de los compresores en línea y condiciones importantes de operación. · Selección manual de los compresores para carga base. · Cambio automático de los compresores de carga base en varios grupos y periodos ajustables de secuencias. · Reloj de 7 días para cambios de carga base y encendido/apagado de toda la estación. · Carga de la red principal con encendido del compresor mas pequeño. · Re encendido de compresores después de falla

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6. Sistemas de Control

6.3.5 Controlador maestro MVS 8000 (1985) El MVS 8000 es capaz controlar hasta 8 compresores. Los compresores conectados son switchados en línea en secuencia dependiendo del número de horas que han trabajado bajo carga para asegurar utilización homogénea. El uso de control por banda de presión reduce el máximo de presión que los compresores tienen que lograr.

MVS 8000

Sh

STO P OF F

AU TO

F1

F2

F3

F4

F5

F6

RE SET TES T

STA RT ON

SER VI CE

Fig. 6-26: controlador maestro MVS 8000

Funciones · Se asegura presión de red constante y optima a ±0.1 con control por banda de presión. · Todos los tipos de compresores pueden ser controlados solo con cambios mínimos en las maquinas existentes. · Adquisición de datos de presión máxima y mínima, monitoreo de límites de presión mínimos y alarma si se excede. · Parametrización para tres turnos por DIA. · Control que responde con la demanda · Secuenciamiento equanime de los compresores en un grupo · Adquisición de datos por compresor: tiempo de uso total, tiempo en carga, fallas e intervalo de mantenimiento. · Parametrización de indicaciones de mantenimiento individuales. · Arranque de compresores escalonado después de caída del sistema. · Concepto de continuidad con compresores capaces de funcionar independientemente si fuera necesario.

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6. Sistemas de control

6.3.6 VESIS, tecnologia de centro de control (1990) VESIS es un sistema de administración de aire comprimido. Utiliza la lógica de control de presión del Sigma Air Manager (SAM) y puede almacenar todas las alarmas y mensajes de mantenimiento de un sistema de suministro de aire comprimido, no solo se dispone de información de compresores sino que también datos del tratamiento de aire y drenado de condensado. VESIS es también capaz de controlar y coordinar diferentes sistemas de aire comprimido para satisfacer con exactitud las necesidades del usuario. Fig. 6-27: terminal VESIS

Conectando toda la estación de aire comprimido al VESIS Los compresores se conectan al VESIS con Sinec L2 (Profibus). En el caso de compresores viejos que no se le pueden adaptar un controlador Simatic, estos se pueden conectar de manera convencional.

User’scontrol level

Computador

nivel de producción y control de proceso

nivel supervisorio y de automatización

SINEC L2 (Profibus) Nivel de control

Prozeß

Proceso

Fig. 6-28: VESIS

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6. Sistemas de Control

Características especiales de VESIS VESIS representa el nivel supervisorio y de automatización. Puede ser conectado vía L2 a los niveles de control de producción y proceso, e integrado a un sistema de mantenimiento preventivo y de control unitario de compresores.

Fig. 6-29: Linking to VESIS

Dividir la carga total entre varios compresores pequeños tenia antes la desventaja que la entrada progresiva de los compresores requería un incremento de la presión de 1 o 2 bar para asegurar el correcto switcheo de cada compresor (control en cascada). Sin embargo, un incremento en la presión de solo 1 bar representa un incremento del consumo de potencia de 6%. Es en este campo que el VESIS, basado en Simatic, ofrece una solución económica y practica, que permite según demanda, control de banda de presión de hasta 16 compresores para mantener la presión de la red entre una tolerancia de ± 0.1 bar. Fig. 6-30: fluctaciones reducidad depresin con control por banda de presion con VESIS

La tecnología VESIS asegura utilización equivalente de todos los compresores, mantenimiento preventivo altamente simplificado para ahorro de costos. Un sistema integrado para medición y proceso permite detección temprana de anomalías y ayuda con el mantenimiento preventivo. Fig. 6-31: mantemimiento preventivo coordiando

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6. Sistemas de Control

6.3.7 SIGMA AIR MANAGER (SAM)

Fig. 6-32: Estación de aire comprimido con Sigma Air Manager

Para ser capaces de controlar sistemas de aire fiablemente, se requiere un intercambio de datos práctico entre el controlador maestro y los controladores internos de los compresores. Alto rendimeinto y gran capacidad de memoria son las más importantes características de la computadora industrial que es el corazón del SIGMA AIR MANAGER. El interfase maestro Profibus DP requiere de un único cable para intercambio rápido y seguro de gran volumen de datos con SIGMA CONTROL, el controlador interno en los compresores, el cual tiene un interfase de esclavo Profibus DP. Los componentes de este sistema de automatización permiten un suministro de aire comprimido mucho mas fino, seguro y ahorrador de energía que los secuenciadores de carga base con sus limitantes de transferencia y procesamiento de datos. El Sigma Air Manager puede controlar 4, 8 o 16 compresores para dar al sistema, como se despliega en la lista de funciones y ventajas, que puede almacenar, visualizarse y reaccionar a mensajes de alarmas y presión en la red. Este controlador interno maestro puede ser supervisado remotamente vía Internet y, con la opción Sigma TeleCare, se pueden incluso transmitir alarmas y mensajes de mantenimiento a teléfonos celulares predeterminados. Fig. 6-33: mensajes del SAM transmitidos a telefono celular

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6 Sistemas de Control

Ventajas decisivas del SIGMA AIR MANAGER Instalación e interconexión simple El SIGMA AIR MANAGER y el SIGMA CONTROL tienen, los dos, interfases integrados Pofibus DP. Esto reduce el esfuerzo necesario de cableado para el control de los compresores con el SAM hasta un único cable con conectores standard Profibus DP. Ambos SAM 4/4 y SAM 8/4 están preparados para montaje en pared para ahorrar espacio. Fig. 6-34:SAM montado en pared

Estructura de menú clara Con su estructura clara y lógica el usuario es guiado fácilmente a los menús de opciones requeridos. La combinación de cuatro teclas de cursor y seis teclas multifuncionales logra una selección rápida de menús de opciones, con Iconos fáciles de entender y graficas de ayuda para la navegación. Una resolución de 240 x 128 píxeles hace del display ser fácilmente leíble y una selección de 30 lenguajes hace la vida más fácil a operadores en cualquier parte del mundo. Fig. 6-35: guia por menu del SAM id

Únicamente unos pocos parámetros son necesarios El ingreso de valores de banda de presión, valores consigna de presión, agrupamiento de compresores y el tipo de conexión del compresor, únicamente son suficientes para habilitar al SAM para controlar en forma segura y secuenciar la estación de compresores. Algunos parámetros adicionales pueden ser seteados individualmente para adaptar la estación de compresores a cualquier condición de operación. Fig. 6-36: Configuracion

Fig. 6-37: presion final adecuada

Control por banda de presión ahorrador de energía Manteniendo los compresores trabajando entre una banda de presión estrecha y siendo capaces de reconocer y acomodarse a la tendencia de la demanda, es la forma ideal de evitar innecesaria presión final alta. Inversión se retorna rápidamente porque disminuir el máximo de presión por un bar únicamente significa 6 por ciento menos de la potencia consumida por los compresores y 25 por ciento menos aire que se pierde en fugas.

Computadora industrial Robusta El SIGMA AIR MANAGER es seguro porque esta basado en componentes de hardware probado y testeado, de calidad industrial. Su computadora especialmente desarrollada tiene alta capacidad de procesamiento (tecnología de 32 bits) y una gran memoria de trabajo. La capacidad de actualización simplifica la integración de desarrollo de software mas avanzado. El sistema puede trabajar en temperaturas desde 0 a +40 °C sin ningún problema. Gabinete con protección IP 54 garantiza la operación segura y fiable incluso en ambientes sucios y su estructura de acero proteje su electrónica de interferencias electromagnéticas. Seminario de Aire Comprimido KAESER

Fig. 6-38: SAM con computadora industrial

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6. Sistemas de control

SIGMA AIR CONTROL presentación visual básica (standard) Cada SIGMA AIR MANAGER contiene un servidor de internet que puede desplegar el estado actual de la estación de compresores visualmente como una pagina HTML. Esta pagina HTML contiene datos del sistema de aire, así como el estado actual operacional de los compresores y el estado momentáneo del panel de control del Sigma Air Manager, un perfil de la presión de la red de la ultima fase de operación y servicio y mensajes y alarmas. Toda esta información – protegida por pass Word – puede ser revisada desde cualquier PC con ayuda de un buscador de Internet, sin necesidad de software caro.

Fig. 6-39: Visualisation

Presentación visual SIGMA AIR CONTROL plus (opción) Paginas HTML generadas por el SAM plus visualizan datos almacenados en la memoria de bitácora de largo plazo. El acceso protegido por pass Word vía un browser de Internet, despliega perfiles de graficas de la presión de la red, FAD, rango de carga/vacío de los compresores, ciclo de trabajo y consumo de potencia sobe un periodo de largo plazo y facilita auditorias eficientes de aire comprimido. Los especialistas de KAESER evalúan la información como se requiera, para mantener el sistema de suministro de aire continuamente ajustado a la demanda de aire en el momento. El SIGMA AIR CONTROL plus esta disponible como una opción de suministro integrada con el equipo o como un adicional después, en para montar en el slot PCMCIA. Es suficiente un PC con browser de Internet y no es necesario software separado.

Fig. 6-40: Visualisation plus

Versiones de SAM

SAM 4/4 maestroProfibus RS232 / RS485 4 Di 24VDC 5 DO relés de conmutación 1 AI 0-20mA (presión) 1 AO 0-20mA PCMCIA, Ethernet

SAM 8/4 Maestro Profibus RS232 / RS485 4 DI 24VDC 5 DO relé de conmutación 1 AI 0-20mA (presión) 1 AO 0-20mA PCMCIA Ethernet

SAM 8/8 Maestro Profibus RS232 / RS485 24 DI 24VDC 16 DO relés de conmutación 8 DO 24VDC 4 AI 2x0-20mA, 2xPT100 1 AO 0-20mA PCMCIA Ethernet

SAM 16/8 Maestro Profibus RS232 / RS485 48 DI 24VDC 16 DO relés de conmutación 16 DO 24VDC 8 AI 4x0-20mA, 4xPT100 2 AO 0-20mA PCMCIA Ethernet

Fig. 6-41: versiones de SAM

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6. Sistemas de Control

Funciones y beneficios del SIGMA AIR MANAGER Presión de red constante y óptima utilizando control por banda de presión , diferencial mínimo de 0.1 bar.

diferencial óptimo de switcheo , evitando compresión alta innecesaria = ahorros energéticos

Requerimientos de alambrado muy bajos entre el SIGMA CONTROL y su periferia vía interfaces Profibus-DB.

costos de instalación bajos porque los compresores existentes y periféricos son fáciles de integrar

Medición de máximo y mínimo de presión vía entrada analógica de 0...20mA, monitoreo de presión mínima, alarma de presión baja, salida de presión, señal 0...20mA.

Información práctica de las condiciones de la red, presión actual de red, monitoreo remoto = incrementa la fiabilidad operacional

Parametrización individual de 32 turnos por semana

operación automática, adaptable fácilmente a condiciones de operación – Alta flexibilidad.

Control según demanda.

La selección correcta del tamaño del compresor relacionada al consumo actual ahorra energía.

Selección uniforme de compresores en un grupo

carga ecuánime de los compresores – permite servicio coordinado.

Adquisición de datos operacionales de cada compresor tiempo de trabajo, tiempo en carga, alarmas Y mantenimiento.

rápida comprensión del estado actual del sistema de aire– incremento de la fiabilidad operacional.

Mensajes automáticos predeterminados individualmente, por máquina.

indicación de mantenimiento – Permite servicio coordinado

Arranque escalonado de los compresores después de un paro.

sin picos de corriente – sin sobrecarga del sistema De alimentación de potencia

Concepto sencillo y práctico de emergencia, los compresores pueden funcionar independientes

el sistema esta asegurado incluso si falla el controlador – fiabilidad operacional incrementada

Panel de control con display gráfico (240x128 pixels) y teclas, hasta 30 idiomas, menús textuales

operación simple, intuitiva con menús de texto protección de acceso no autorizado – puede ser cambiado en cualquier momento.

Con el SIGMA AIR CONTROL basic, los datos pueden ser visualizados con un browser de internet (RS 232, RS 485 Ethernet).

el método más fácil de informarse del estado del sistema de aire comprimido desde cualquier lugar es el Internet, Ejemplo el estado operación de los compresores

La integración de todo el sistema de aire comprimido: compresores controlados por velocidad y proporcionalmente con/sin SIGMA CONTROL, componentes de tratamiento.

Selección de compresores y componentes de tratamiento con relés con contactos o convertidor Profibus -> indicación del estado operativo.

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6. Sitemas de Control

6.3.8 Tele servicio Todos los Sigma Air Manager pueden ser fácilmente integrables en SIGMA TELECARE, una parte de Tele servicio de KAESER. Esta equipado con interfaces de modem vía los cuales todos los datos relevantes pueden ser transferidos instantáneamente al centro de servicio de KAESER por SMS o vía la red telefónica. Las medidas de mantenimiento, preventivas y orientadas según demanda, tomadas después del diagnostico remoto pueden incrementar grandemente la disponibilidad y asegurar el suministro de aire comprimido. Fig. 6-43: mensajes de teleservicio con un teléfono

(

(

RS 232

Fig. 6-44: mensajes de Teleservicio desde una estación de compresores

Ventajas

Þ Þ Þ Þ Þ

Diagnóstico remoto Conocimiento inmediato del estado de la estación y encontrar fallas rápidamente Ajuste de parámetros Producción económica de aire comprimido Mantenimiento preventivo Reconocimiento de tendencias, advertencias tempranas, preventivas Mantenimiento relacionado con la demanda Máxima vida de los consumibles Monitoreo de máquina y sistema Adquisición y visualización de datos de operación, un especialista de KAESER en el lugar Seminario de Aire Comprimido KAESER

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6. Sistemas de Control

6.4 Sumario El desempeño de los diferentes métodos de control y regulación de compresores de tornillo debe ser juzgado con una base económica. El prerrequisito más importante para la producción económica del aire comprimido es básicamente un compresor eficiente. Sin embargo puede ser un buen controlador de carga parcial, pero este no puede mejorar la eficiencia básica de un compresor, más de lo que un gran rango de control puede incrementar la economía de una maquina ineconómica. Esto se ve claramente en la figura 6-45 que ilustra los diferentes métodos de producción de aire. Es importante en todos los casos que solo maquinas de buena eficiencia básica sean utilizadas. La ineficiencia no puede ser compensada por ningún rango de control sobreproporcionalmente grande. Esto aplica a rango de control del 90%. Si la eficiencia básica de un compresor es baja, entonces tratar de igualar el suministro con la demanda con la variación de frecuencia (variación de velocidad) no lo mejorara. Esta opción cara es muy desfavorable comparada con la combinación de una maquina de 9 m³/min y otra de 6 m³/min con un controlador standard, con un sistema de control maestro usando control por banda de presión. Requerimiento de potencia especifica para un suministro entre 3 y 15 m³/min: Curva superior Maquina controlada por frecuencia con requerimiento alto de energía básica.

Spezifischer Requerimiento específico de potencia kW/(m³/min) 3 Leist.A auf kWmin/m 9

Curva inferior Dos compresores eficientes de entrega de 9 y 6 m³/min respectivamente bajo control por banda de presión de Kaeser.

8

7 1

6

2

5

3

Área sombreada: ahorros de potencia logrados con dos maquinas pequeñas bajo control de carga parcial.

Sp. -Leist. A auf FU Requerimiento degeregelt potencia 3 kWmin/m específica de una maquina

controlada porVESIS frecuencia Sp. -Leist. A auf kWmin/m3

4

Área 1: El compresor con entrega de 6 m³/min está suministrando la carga base y la otra máquina es detenida.

Requerimiento de potencia específica, compartida

3

Área 2: El compresor con entrega de 9 m³/min está suministrando la carga base y la otra maquina está en stand by.

2

1

0

0

5

10

15

20

Delivery [m³/min]m3/min Liefermenge

Área 3: El compresor con entrega de 9 m³/min está suministrando la carga base y la otra máquina está suministrando la carga pico.

Fig. 6-45: Specific power consumption of a frequency-controlled machine compared with load splitting and pressure band control

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6. Sistemas de Control

Cuando se hace una comparación económica de varios sistemas de control, usualmente solo las características del motor eléctrico son tomadas en cuenta, ignorando aquellas del compresor como un todo. Una de estas características es el desempeño no lineal de la unidad compresora de velocidad variable. No es posible controlar una unidad compresora eficientemente en todo su rango de velocidad. Para lograr un rango de control que cubra más del 60% en un compresor de tornillo, su rango de velocidad en los dos lados de lo óptimo, debe ser utilizado a su máximo. Esto disminuye, sin embargo, la eficiencia general de la máquina, como lo ilustra la figura 6-46. Con el fin de lograr el mejor desempeño, una unidad compresora relativamente pequeña debe ser usada, girando a una alta velocidad. Una unidad compresora especialmente diseñada para máxima entrega va a tener una mejor eficiencia básica pero no puede ser controlada en un rango grande de velocidad sin un efecto decremental de la eficiencia de la maquina como un todo. Su rango de control es preferible, sin embargo, comparado con una unidad compresora pequeña con alta velocidad.

Sp.3 Leist. kWmin/m

potencia específica kWmin/ m³

Curva de arriba Requerimiento de potencia específica del compresor como un todo considerando pérdidas eléctricas.

10 9

Curva de abajo Requerimiento de potencia específica de una unidad compresora solo relacionada con su arrastre en el eje en su entrega y rango de velocidad

8 7 6 5 4

3 Sp.-Leist. A aufunkWmin/m Maquina como todo 3 Sp.-Leist. M compresora ab. kWmin/m Solo unidad

3 2 1 0 0

2

4

6

8

10

12

14

16

3

DeliveryLiefermenge [m³/min] m /min

Fig. 6-46: Higher specific power requirement due to the electrical losses in the frequency controller

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6. Sistemas de Control

Dada la tecnología moderna disponible, se puede decir que un compresor controlado por frecuencia ofrece ventajas económicas cuando se trabaja bajo condiciones de carga parcial hasta el 65% del máximo de la capacidad. En un rango de regulación entre 65% y 100%, compresores standard con control carga/vacío/apagado son mas económicos que las maquinas controladas por frecuencia con unidades compresoras de baja eficiencia y, en el rango de 90 a 100%, son mas económicos que aquellos con unidades compresoras tomando en cuenta la alta demanda y el costo de inversión del motor variador de velocidad. Los sistemas de administración de hoy ofrecen mejores posibilidades que los secuenciadores de carga base tradicionales incluso en condiciones de carga parcial menor que el 65% como máximo. Como esta ilustrado en 6.3.1, una carga pico de 15 m³/min puede ser suministrada por un numero de pequeñas maquinas, y con esto mejorando la economía bajo carga parcial y también haciendo posible el lograr mejores resultados de ciclos de trabajo. Los ejemplos dados ilustran varias posibilidades de controlar una estación de compresores y asegurando suministro de aire fiable y económico pero de ninguno se puede en general decir que es ideal sin referencia de la aplicación específica y características de los compresores. Es posible estandarizar controladores maestros con capacidad de conectar compresores de varios tamaños pero una estandarización así no es posible para otros modos de control como el de variación por frecuencia. Potencia de FC tipo 1 con unidad compresora pequeña Potencia de modo Dual DSD 171 Potencia de división de carga, modelos CSD 102 – BSD 62 Potencia de FC tipo 2 (DSD 171) Linea ideal

100 % = 90 kW 120

potencia %

100

80 60 40 20 0 0

10

20

30

40

50

60

entrega %

70

80

90

100

100 % = 15 m³/min

Fig. 6-47: utilización de potencia relacionada con entrega en carga parcial

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34

6. Sistemas de control

Cada aplicación debe ser analizada cuidadosamente para establecer si el rango de control de un compresor, que no indica una característica de carga constante, es adecuada o no. Esto aplica a compresores de entrega variable, con excepción del control con rueda giratoria de fluido, que es un método no adecuado para compresores de tornillo. Soluciones predeterminadas no son recomendables, ya que pueden ser no solo más caras, sino pueden resultar más onerosas energéticamente y de alto costo desde el punto de vista del mantenimiento. Obviamente hay casos en donde las soluciones de control de frecuencia ofrecen la mejor utilización de energía, pero estos deben ser ajustados a la aplicación específica. El control de velocidad variable puede ser realmente económico únicamente cuando el rango de control permanece entre el limite de lo que es razonable para la unidad compresora en cuestión. Esto también aplica a maquinas con motores de 2 velocidades, Si, por querer incrementar el rango de control, se escoge una unidad compresora que es muy pequeña, el propósito de usar control por frecuencia y motores de 2 velocidades, por ejemplo para ahorrar energía, se forzan y el efecto es el opuesto, con pérdidas de energía y costos de inversión mas altos. En muchos casos, ajustar la entrega de aire a la demanda con el uso de múltiples compresores bajo el control de un sistema moderno de administración de aire, es la solución mas razonable. El análisis de demanda de aire desarrollado por KAESER y las herramientas hacer modelos, conocidas como ADA y KESS, pueden indicar el camino a la respuesta mas económica.

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35

7.

Utilización de sistemas de recuperación de calor

7.1

Aplicación

7.2

Recuperación de Calor de Compresores de Tornillo

7.3

Utilización de aire de enfriamiento de escape para calefacción de espacios

7.3.1 7.3.2 7.3.3

Calor utilizable en el escape de aire de enfriamiento Posibles ahorros mediante calefacción de espacios Ejemplo de demanda de energía calórica

7.4

Calefacción con agua caliente

7.4.1 7.4.2 7.4.3

Recuperación de calor en agua caliente Ejemplo de instalación Ahorros totales posibles

7.5

Intercambiadores de calor

7.5.1

Agua caliente disponible mediante la recuperación de calor del aceite de compresor Intercambiador de calor con placas Intercambiador de calor a prueba de fallas

7.5.2 7.5.3

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1

7 Utilización de Sistemas de Recuperación de Calor

7.1 Aplicación Teniendo en cuenta el creciente costo de la energía, su conservación no es sólo una medida económica drástica sino también una necesidad ecológica. El calor que se recupera de los compresores de tornillo, en forma de aire o agua caliente, puede ser útil en las siguientes aplicaciones: Calefacción de espacios con aire cálido Protección contra el congelamiento Procesos de secado Alimentación a sistemas de calefacción central Calefacción de piletas de natación

Recintos de lavado y duchas Cantinas y cocinas grandes Calefacción previa con aire de quemador Limpieza de componentes Agua para lavado en la industria alimenticia

Aplicaciones para el agua caliente 80 °C

51 %

70 °C

Temperatura inicial para calefacción del edificio

60 °C

29 %

50 °C

Temperatura inicial del agua de radiador

40 °C

Calefacción previa con agua, agua para procesos, aire de suministro, calefacción bajo el suelo

14 % 30 °C

Ilustración 2: Sistema de recuperación de calor que utiliza un intercambiador de calor con placas para calentar agua a 70º C

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2

7 Utilización de Sistemas de Recuperación de Calor 7.2 Recuperación de Calor de Compresores de Tornillo Los compresores principalmente generan calor. Aunque esta afirmación pueda parecer inverosímil, lo cierto es que el 100 por ciento del ingreso de energía eléctrica a un compresor se convierte en calor. La acción de compresión carga el aire del compresor con energía potencial. Esta energía es emitida, en el momento de la utilización, por el aire comprimido que se expande y extrae calor de las cercanías. La mayor proporción de la energía recuperable en forma de calor, un 72%, se encuentra en el aceite de enfriamiento inyectado del compresor, un 13% en el aire comprimido mismo y hasta un 9% es emitida por el motor de accionamiento hacia el aire de enfriamiento. En un compresor de tornillo rotativo enfriado con aceite completamente encapsulado, se pueden recuperar inclusive las pérdidas del motor eléctrico en forma de aire caliente. Esto eleva la proporción total de energía de entrada disponible en forma de calor hasta un sorprendente 94%. De la energía restante, 2 por ciento irradia del compresor y 4 por ciento permanece en el aire comprimido (ver diagrama de flujo de calor). Energía eléctrica total consumida 100%

Calor irradiado del motor de accionamiento (disipado en aire de enfriamiento) 9% Calor irradiado del compresor a las cercanías

Calor recuperable del enfriador de aceite 72%

Calor recuperable del post-enfriador de aire comp. 13%

Calor que permanece en el aire comprimido

4%

Calor total disponible para recuperación 94%

Fig. 7-2: Diagrama de flujo de calor

El aire de enfriamiento de escape que se lleva el calor del compresor se puede utilizar en invierno para calefacción directa de espacios o el aceite de enfriamiento del compresor, que pasa a través del intercambiador de calor, puede calentar agua (sistema de recuperación de calor PTG de KAESER). Este sistema también contribuye a ahorrar energía en verano. La ilustración de un compresor de tornillo con sistema de recuperación de calor muestra el principio. Con ayuda del diagrama, la tabla y el ejemplo de cálculo, usted puede comprobar cuánta energía se puede ahorrar en su aplicación mediante la recuperación de calor del compresor y que el costo del equipo se puede recuperar en una o dos temporadas de calefacción.

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3

7 Utilización de Sistemas de Recuperación de Calor

7.3 Utilización de Aire de Enfriamiento de Escape para Calefacción de Espacios El método más simple y directo de recuperación de calor generado en un compresor de tornillo rotativo enfriado con aceite se realiza mediante la utilización directa del aire de enfriamiento que se lleva el calor del módulo de compresión, el enfriador de aceite, el motor, etc. Este aire calentado se puede conducir por tubos para ser utilizado en calefacción de espacios en depósitos y talleres, etc. (73). El aire caliente también se puede utilizar para otras aplicaciones tales como secado, cortinas de aire caliente y aire de combustión de calefacción previa. Cuando no se necesita el aire calentado, una aleta o rejilla manual o automática lo descarga fuera del edificio. Las rejillas se pueden regular termostáticamente para mantener una temperatura constante y fija. El método de calefacción de espacios permite que se recupere el 94% de consumo de energía eléctrica de un compresor de tornillo. Y se justifica su utilización, aun en pequeñas unidades, ya que un compresor de 18.5 kW fácilmente puede generar suficiente energía para la calefacción de una casa de familia típica.

Descarga en verano Calefacción en invierno

Fig. 7-3: Aire de enfriamiento de escape utilizado para calefacción de espacios

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4

7 Utilización de Sistemas de Recuperación de Calor 7.3.1 Calor Utilizable en Escape de Aire de Enfriamiento Modelo

Calor utilizable

Volumen utilizable

Aumento de temp ∆t

Costo de calefacción ahorrado** [€/a] en

kW

MJ / h

kcal / h

M³ / h

K

2,000 h

4,000 h

SX 3 SX 4 SX 6 SM 8 SM 11 SK 21 SK 24 ASD 32 ASD 37 ASD 47 ASD 57 BSD 62 BSD 72 BSD 81 CSD 82 CSD 102 CSD 122 CSDX 137 CSDX 162 DSD 141 DSD 171 DSD 201 DSD 241 DSD 281 ESD 251 ESD 301 ESD 351 ESD 361

2.5 3.5 4.6 6.2 8.4 12.2 14.9 21.5 25.4 31.1 35.9 35.5 43.2 53 53 64 79 94 106 82 98 118 142 171 137 187 227 210

9 13 17 22 30 44 54 77 91 112 129 128 155 191 191 230 284 338 381 295 353 424 511 615 493 673 817 755

2.147 3.006 3.951 5.326 7.216 10.480 12.799 18.468 21.818 26.715 30.838 30.494 37.108 45.527 45.527 54.976 67.860 80.745 91.053 70.437 84.181 101.361 121.977 146.888 117.682 160.632 194.991 180.388

1,100 1,500 1,500 1,500 1,500 2,500 2,700 3,800 3,800 4,500 5,400 5,700 5,700 5,700 8,000 8,000 9,000 13,000 13,000 9,000 14,000 16,000 21,000 21,000 21,000 28,000 28,000 27,000

7 7 9 12 17 15 17 17 20 21 20 19 23 28 20 24 26 22 24 27 21 22 20 24 20 20 24 23

282 394 518 699 946 1375 1679 2423 2862 3504 4045 4000 4868 5972 5972 7211 8902 10592 11944 9240 11042 13296 16000 19268 15437 21071 25578 23662

563 789 1037 1397 1893 2749 3358 4845 5724 7009 8090 8000 9735 11944 11944 14423 17803 21183 23888 18479 22085 26592 32000 38536 30874 42141 51156 47324

ESD 441 FS 440 GS 580 GS 590 GS 640 GS 650 HS 690 HS 760

244 269 29.7 29.7 33.5 33.5 37.7 42.4

878 968 107 107 121 121 136 153

209.594 231.069 25.512 25.512 28.776 28.776 32.384 36.421

34,000 40,000 10,000 10,000 10,000 10,000 12,000 12,000

22 20 9 9 10 10 9 11

27493 30310 3347 3347 3775 3775 4248 4778

54987 60620 6693 6693 7549 7549 8496 9555

Tab. 7-1: Ahorro de costos de calefacción por recuperación de calor de escape de aire de enfriamiento

Valores para compresores KAESER con carga máxima ** Valor de calefacción de aceite: 35.5 MJ/l; eficiencia de calefacción: 90 %; precio de aceite: €0.50 / l

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7 Utilización de Sistemas de Recuperación de Calor 7.3.2 Ahorros posibles de calefacción de espacios con calor recuperado El aire de enfriamiento de escape que se lleva el calor del enfriador de aceite y el postenfriador de aire comprimido del compresor de tornillo se conduce por tubo hacia un recinto adyacente (por ejemplo, un depósito). Esta fuente de calor alivia la carga al sistema de calefacción del depósito y así se ahorra aceite.

Ejemplo de cálculo: compresor de tornillo enfriado con aire, modelo CSD 82 Potencia de eje de módulo de compresión (8 bar): Eficiencia de motor: Período de calefacción: Período de carga del módulo de compresión: Precio del aceite de calefacción: Valor de calefacción específico del aceite: Eficiencia de calefacción: Consumo total de energía:

50.4 kW 0.944 125 días 8 horas/día €0.50 /litro 35.5 MJ/l = 9.87 kWh/l (1 MJ = 0.278 kWh) 0.9

= Potencia de eje de módulo de compresión Eficiencia de motor

= 50.4 kW = 53.4 kW 0.944 Energía utilizable en aire caliente = =

94 % del consumo total de energía (ver diagrama de flujo) 0.94 x 53.4 kW = 50.2 kW

Ahorro: Energía utilizable x tiempo con carga x precio del aceite de calefacción Valor de calor del aceite x eficiencia de calefacción =

50.2 kW x 1000 h x €0.50 /l_ 9.87 kWh/l x 0.9

=

€2,825 por 1000 horas de carga

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7 Utilización de Sistemas de Recuperación de Calor 7.3.3 Ejemplo de Demanda de Energía Calórica Calefacción de un edificio con 500 m² de área de superficie (Fig. 7-6) Ejemplo de cálculo: compresor de tornillo enfriado con aire, modelo CSD 82 Consumo anual de energía según WSVO’95: Temporada de calefacción: Período de carga del módulo de compresión:

100 kWh / (m² a) 125 días 8 horas / día

Consumo total anual de energía: 500 m² x 100 kWh / (m² y) = 50,000 kWh / a Período de calefacción por día:

50,000 kWh / a 125 días / a

= 400 kWh / día

Energía utilizable del CSD 82: 50.2 kW (ver página 6) Energía utilizable para calefacción por día: 50.2 kW x 8 horas / día = 401.6 kWh / día Esto significa que los requerimientos anuales de calefacción de un edificio de 500 m² se pueden cubrir mediante el calor recuperado de un compresor de tornillo CSD 82 simple. Esto depende del funcionamiento del compresor durante un tiempo determinado y se debe considerar una reserva.

~ ~ ~

Volumen = 1,500 m³

3m

50 m

10 m

Fig. 7-6: Calefacción de un edificio con un área de superficie de 500 m² utilizando calor recuperado de un compresor de tornillo CSD 82

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7

7 Utilización de Sistemas de Recuperación de Calor 7.4 Calefacción con Agua Caliente 7.4.1 Recuperación de Calor en Agua Caliente Se puede recuperar el agua caliente para usos diversos desde un compresor enfriado ya sea con aire o agua mediante un intercambiador de calor (7-4) instalado en el circuito de aceite de enfriamiento del módulo de compresión. Se utilizan intercambiadores de calor con placas o a prueba de fallas, dependiendo de que el agua se utilice para calefacción, lavado o duchas, o con fines de limpieza comercial o de producción. Se pueden alcanzar temperaturas de agua de hasta un máximo de 70º C. La experiencia muestra que para compresores con capacidad mayor a 18.5 kW, los costos adicionales para estos sistemas de recuperación de calor se amortizan en dos años, siempre y cuando, desde luego, se haga una planificación correcta.

Aire comprimido

Aceite enfriado

Válvula termostática 1

Mezcla de aire/aceite

Aceite caliente

Agua fría Válvula termostática 2

Intercambiador de calor de aceite/agua

Agua caliente

Aceite que se lleva el calor de compresión

Fig. 7-4: Recuperación de calor con un intercambiador de calor con aceite/agua

El calor de compresión que se lleva el aceite de enfriamiento del compresor se emite en el intercambiador de calor con aceite/agua. La válvula termostática 1 asegura que el aceite no emita demasiado calor y el compresor se mantenga a una temperatura operativa óptima. Si la demanda de agua caliente disminuye, el aceite de enfriamiento se desvía a través del enfriador estándar integrado en el compresor, donde su calor se puede conducir por tubos para la calefacción de espacios.

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8

7 Utilización de Sistemas de Recuperación de Calor

7.4.2 Ejemplo de instalación

Aceite caliente

Enfriador de aceite

Aceite frío

Aceite frío

Aceite caliente

Válvula termostática

Agua caliente

Colchón de aire

Interruptor de presión para válvula de solenoide

t

Separador de aceite

Tanque de agua caliente

ld

Post-enfriador de aire comprimido

Agua fría

Filtro de entrada

Sistema de recuperación de calor

Válvula termostática 1

Compresor de tornillo enfriado con aire

Agua caliente para usuarios

Válvula de solenoide

Suministro de agua fría (tratada)

Fig. 7-5: Ejemplo de un sistema de agua caliente que utiliza calor recuperado

Ahorros por recuperación de calor para agua caliente Ejemplo de cálculo: compresor de tornillo enfriado con aire, modelo CSD 82 Potencia de eje de módulo de compresión (8 bar): 50.4 kW Eficiencia de motor: 0.944 Período de calefacción: 125 días Período de carga del módulo de compresión: 8 horas/día Precio del aceite de calefacción: €0.50 /litro Valor de calor específico del aceite: 35.4 MJ/l = 9.87 kWh/l (1 MJ = 0.278 kWh) Eficiencia de calefacción: 0.9 Consumo total de energía: =Potencia de eje de módulo de compresión Eficiencia de motor = 50.4 kW = 53.4 kW 0.944

Energía utilizable para calefacción de agua industrial: = 72 % del consumo total de energía (ver diagrama de flujo) = 0.72 x 53.3 kW = 38.3 kW Ahorro: Energía utilizable x tiempo con carga x precio del aceite de calefacción Valor de calor del aceite x eficiencia de calefacción = 38.3 kW x 1000 h x 0.50 €/l 9.87 kWh/l x 0.9 = €2,155 por 1000 horas de carga

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7 Utilización de Sistemas de Recuperación de Calor 7.4.3 Ahorros totales posibles Cálculo del volumen por hora de agua industrial que se puede calentar de 20 °C a 50 °C utilizando la ecuación calorífica: Q = m x c x Δt donde: Q = Capacidad de calor (energía utilizable) m = Caudal de masa cagua = Capacidad de calor específica Δ t = Diferencial de temperatura

Tomando, por ejemplo: Q Cagua Δt 1 kW

= 38.3 kW = 4.18 kJ/(kg K) = 30 K = 3600 kJ/h

If Q

=mxcxΔt

Así m =

Q cxΔt

= 1099 kg/h

38.3 kW 4.18 kJ/(kg k) x 30 K =

x 3600 kJ/H kW

1.1 m³/h agua caliente industrial

Cálculo de los ahorros de la energía restante que se encuentra disponible para calefacción de espacios. El calor disponible del motor de accionamiento y el post-enfriador de aire comprimido = 22 % del consumo total de energía (ver diagrama de flujo de calor). Energía restante para calefacción de espacios: 0.22 x 53.3 kW = 11.7 kW Ahorro: Energía utilizable x tiempo con carga x precio del aceite de calefacción Valor de calor del aceite x eficiencia de calefacción =

11.7 kW x 1000 h x €0.50 /l 9.87 kWh/l x 0.9

=

€658 por 1000 horas de carga

Cálculo de ahorro con calefacción de agua industrial y calefacción de espacios: Ahorros totales €2155 (agua caliente industrial) €658 (calefacción de espacios) €2,813 por 1000 horas de carga

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7 Utilización de Sistemas de Recuperación de Calor

7.5 Intercambiadores de Calor 7.5.1 Agua caliente disponible mediante recuperación de calor del aceite del compresor

Modelo

ASD 32 ASD 37 ASD 47 ASD 57 BSD 62 BSD 72 BSD 81 CSD 82 CSD 102 CSD 122 CSDX 137 CSDX 162 DSD 141 DSD 171 DSD 201 DSD 241 DSD 281 ESD 251 ESD 301 ESD 351 ESD 361 ESD 441 FS 440 GS 580 GS 590 GS 640 GS 650 HS 690 HS 760

Potencia de motor kW 18.5 22 25 30 30 37 45 45 55 75 75 90 75 90 110 132 160 132 160 200 200 250 250 315 315 355 355 400 450

Calor máximo disponible kW 16.4 19.3 23.9 27.6 27.0 33.3 40.8 40.8 49.4 62 73 84 65 78 93 114 138 110 146 180 169 197 209 263 263 296 296 334 376

MJ / h 59 69 86 99 97 120 147 147 178 223 263 302 234 281 335 410 496 396 525 647 608 709 752 946 946 1,065 1,065 1,201 1,353

kcal / h 14,087 16,579 20,530 23,708 23,193 28,604 35,047 35,047 42,434 53,258 62,706 72,155 55,835 67,001 79,886 97,925 118,541 94,489 125,413 154,619 145,170 169,222 179,529 225,915 225,915 254,262 254,262 286,904 322,981

Volumen de agua tAus = 70 °C ∆t = 55K m³ / h 0.26 0.30 0.37 0.43 0.42 0.52 0.64 0.64 0.77 0.97 1.14 1.32 1.02 1.22 1.46 1.79 2.16 1.72 2.29 2.82 2.65 3.08 3.27 4.12 4.12 4.64 4.64 5.23 5.89

Ahorros *** [€/y] En 2,000 h 1848 2175 2693 3110 3042 3752 4597 4597 5566 6986 8225 9465 7324 8789 10479 12845 15549 12395 16451 20282 19042 22197 23550 29634 29634 33352 33352 37634 42367

Tabla 7-2: Costos de calefacción ahorrados por recuperación de calor del aceite de compresor en forma de agua caliente

Valores para compresores KAESER con carga completa. *** Valor de guía calculado, desviaciones debidas a condiciones de instalaciones posibles. Valor de calefacción de aceite de calefacción: 35.5 MJ/l; eficiencia de calefacción: 90 %; precio del aceite de calefacción: €0.50 /l

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7 Utilización de Sistemas de Recuperación de Calor 7.5.2 Intercambiador de calor con placas El intercambiador de calor con placas está hecho con placas prensadas de acero inoxidable resistentes al ácido (hasta 200 según el modelo) soldadas en un horno de vacío con 99.9 % de soldadura de cobre puro. La turbulencia que se crea por la forma de las placas da como resultado una excelente transferencia de calor. Cada placa está ubicada a 180 grados de la siguiente, creando puntos máximos de contacto en toda la superficie de transferencia. Las placas pueden alcanzar 80º C, por lo tanto se aísla el intercambiador para evitar lesiones por quemaduras. Se puede calentar el agua a 70º C para fines industriales y el intercambiador se puede instalar en una planta existente. Aplicaciones Planta de lavado Industria química y farmacéutica Galvanización Limpieza de materiales è No apto para agua potable.

Entrada de aceite

Salida de agua

Salida de Entrada de agua aceite Fig. 7-7: Intercambiador de calor con placas

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7 Utilización de Sistemas de Recuperación de Calor

7.5.3 Intercambiador de calor a prueba de fallas El intercambiador de calor a prueba de fallas es una variante del intercambiador de tubos múltiples. El tubo que lleva el agua que se ha de calentar se ubica dentro de otro tubo y el espacio entre ellos está cubierto por un fluido inocuo de transferencia de calor. Los tubos están rodeados por la envoltura, a través de la cual fluye el aceite caliente de compresor. Si alguno de los tubos se rompiera, por corrosión o daño mecánico, no existe posibilidad alguna de que el aceite y el agua se mezclen. En cambio, la presión del fluido de transferencia de calor aumentará y será detectada por el monitor de presión, que puede enviar una señal de alarma o desactivar el compresor. Con este dispositivo, el agua se puede calentar a unos 70º C. Si no hay demanda de agua caliente, el aceite de compresor se desvía hacia el enfriador interno de la máquina de modo que siempre se asegure la temperatura máxima de la máquina. El intercambiador a prueba de fallas resulta esencial donde el agua caliente debe retener su calidad de potable y se debe descartar cualquier posibilidad de contaminación con aceite. Aplicaciones Procesamiento de alimentos Calentamiento de agua potable Industria química y farmacéutica Cantinas y cocinas grandes Baños y duchas

Tanque de cabecera

Monitor de presión

Fluido de transferencia de calor

Salida de agua

Entrada de agua

Salida de compresor de aceite

Entrada de aceite de compresor

Fig. 7-8 Intercambiador de calor a prueba de fallas serie SWT

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8.

Estudio Económico

8.1

Reparto de costos

8.1.1 8.1.2 8.1.3

Amortización de la deuda Costo del consumo eléctrico. Costo de mantenimiento.

8.2

Configuración eficiente del compresor

8.2.1 8.2.2 8.2.3

8.2.6

Reparto de la potencia en el compresor. Caudal entregado y estandarización. Comparación entre compresores de tornillo y turbocompresores. Comparación entre compresores lubricados por aceite y libres de aceite. Comparación entre costes de refrigeración por agua y por aire. Impulsión optimizada.

8.3

Cálculos económicos

8.3.1 8.3.2

Costos energéticos. Cálculo económico total.

8.2.4 8.2.5

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8. Estudio Económico

8.1 Reparto de costos

Consummo de los compresores

Consumo de la planta de tratamiento

Mantenimiento de compresores

Mantenimiento de la planta de tratamiento

Inversión en compresores

Inversión en una planta de tratamiento

Instalación y sistemas de control.

Tratamiento de condensados

Commissioning and training

Reparto de costos de una estación de aire comprimido eficiente

Costo energético:

€ 0.08 /kWh

Presión de trabajo:

Periodo:

5 años

Refrigeración por aire

% Interés:

6%

Calidad del aire comprimido (ISO 8573-1): Aceite

4,000 horas/año, caudal: 20 m³/min

7.5 bar 1

Partículas

1

Agua

4

Fig. 8-1: Reparto de costos de una estación de aire comprimido eficiente

8.1.1 Amortización de la deuda Definición La deuda es amortizada por pagos regulares de interés más una parte de la suma principal, y una deuda en la que los pagos regulares no cambian, por la disminución del interés de la suma que queda por pagar y siendo igualada por un incremento de la suma principal, se llama anualidad Es muy útil calcular el desembolso sobre el periodo normal de liquidación, de cinco años, usando el interés actual. Los costos de inversión juegan un papel secundario en el total de los costos de producción de aire comprimido, tal y como se muestra en el recuadro fig. 8-1. Es recomendable el volcarse en una estación de aire comprimido de alta calidad, incluso si la inversión es más alta, ya que cualquier ahorro en la inversión de la estación es sobrepasada con creces por los costos de mantenimiento y, sobre todo, de consumo.

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2

8. Estudio Económico 8.1.2 Costo del consumo eléctrico Al contrario que la inversión inicial, el costo energético representa una parte sustancial (7090%) de los costos totales de la producción de aire comprimido, dependiendo del periodo de funcionamiento de la estación. Es el factor más alto en el costo de producción de aire comprimido (ver fig. 8-2).

Gran consumidor 5

Consumidor medio 5

Pequeño consumidor 7

1,872 kW

467.2 kW

105.3 kW

10,784,236 kWh

2,177,136 kWh

174,052 kWh

4) Horas de funcionamiento al año

5,761

4,660

1,653

5) Precio del consumo (kWh)

€0.057

€0.0586

€0.0683

6) Pago nivel de uso (kWh)

€0.0184

€0.0216

€0.0761

7) EEG (kWh)

€0.0062

€0.0062

€0.0062

8) KWKG (kWh)

€0.0005

€0.0006

€0.0021

9) Impuestos (kWh)

€0.0123

€0.0124

€0.0135

10) Pago concesión (kWh)

€0.0011

€0.0011

€0.0011

11) Precio total / kWh

€0.0955

€0.1005

€0.1673

1) Nivel de uso 2) Pico de carga 3) Consumo anual

Fig. 8-1: Detalle del costo eléctrico en 10/2005 (en Alemania)

Explicación 1) Nivel 5 = Consumidor de media tensión. Nivel 7 = Consumidor de baja tensión. 2) La más alta de las cargas medias medidas en un periodo de 15 minutos en un año fiscal. 3) Consumo total anual. 4) Horas de funcionamiento al año = consumo total anual / pico de carga 5) El precio depende de la curva de consumo específico del cliente, basado en el precio de mercado de 23. 06. 2005: Base Cal06 = €43.14 /kWh, Pico Cal06 = €60.70 /kWh. 6) Calculado según la compañía suministradora y el nivel de uso. 7) Ley de energías renovables; precio basado en el segundo trimestre de 2005. 8) Extra por el mantenimiento, modernización y ampliación de la potencia; precio base de 01.01.2005: hasta 100,000 kWh = €0.00334, por encima de 100,000 kWh = €0.0005. 9) El impuesto reducido por uso industrial es: hasta 25,000 kWh = €0.0205; por encima de 25,000 kWh = €0.0123 per kWh. 10) El pago de los derechos de establecimiento de la compañía sumistradora a las autoridades. 11) Total más el IVA (16 %, hasta final de 2006)

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8. Estudio Económico Base Precio electricidad: €0.08 – €0.12 /kWh Periodo de depreciación: 5 años Interés: 6 %

78-87 %

76-84 % 65-73 %

25-33 %

13,5-21 %

Costo energético

10,3-18 % 2%

2,5 %

Inversión

2,7 %

%

Costos de mantenimiento

Fig. 8-2: Resumen de los costos de aire comprimido para 1, 2 y 3 turnos de trabajo.

8.1.3 Costo de Mantenimiento En la Fig. 8-3 se muestra el costo de mantenimiento de los diferentes tipos de compresor dependiendo de su capacidad y por un periodo de funcionamiento de 10 años. Los datos están basados en la experiencia de cada fabricante.

300

Coste de mantenimiento medio por 1m³/min producido en Euros.

250

200

150 Compresor de tornillo no lubricado por aceite.

100

Turbo

50

Compresor de tornillo lubricado por aceite. 0 10

50 Caudal en m³/min

90

Fig. 8-3: Comparación de los costos medios de mantenimiento anual de los diferentes tipos de compresor basada en 2.000 h de trabajo al año, en 10 años.

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8. Estudio Económico

Mantenimiento llevado a cabo por técnicos entrenados por el fabricante. Ventajas

Explicación

Costos energéticos bajo control.

Eliminación de fugas, pérdidas de presión y una innecesaria operación en vacío. Los costos energéticos suponen más del 75 % del total de aire comprimido producido.

Seguridad jurídica en toda la documentación del servicio.

Controles de seguridad llevados a cabo regularmente para asegurar que las cláusulas del seguro no están comprometidas. La estación de aire comprimido debe de ser inspeccionada cada año por un experto autorizado. Cambios en las leyes de seguridad e higiene en el trabajo, acarrean más responsabilidad para el usuario.

Los técnicos oficiales Kaeser están plenamente cualificados y autorizados.

El personal de Kaeser está autorizado para inspeccionar depósitos de presión y comprobar posibles pérdidas en los circuitos de refrigeración.

Protección del medio ambiente según ISO 14001.

Reducción de las emisiones de CO². Se desecha correctamente el aceite usado, materiales en contacto con el aceite y los condensados.

Introducción de los avances tecnológicos.

Las innovaciones son rápidamente dadas a conocer a nuestro departamento de servicio técnico, asegurando una planta optimizada para el usuario. Una estación de aire comprimido, no es un conjunto de dispositivos individuales sino la unión de energía, seguridad y calidad.

Tabla 8-2: Ventajas de nuestro servicio técnico

Fig. 8-4: Servicio técnico Kaeser

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8. Estudio Económico

8.2 Configuración eficiente del compresor 8.2.1 Reparto de la potencia en el compresor El rendimiento de un compresor no recae únicamente en el caudal entregado, la potencia necesitada para producir ese caudal es muy importante. La falta de unificación y claridad en la terminología respecto a la medición de la potencia dificulta la realización de comparativas. En la Fig. 8-5 se muestran algunas definiciones.

Consumo Eléctrico total

Consumo eléctrico del moto-ventilador, si se encuentra separado. Potencia del motor: La potencia mecánica en el eje del motor , en kW, que el motor es capaz de dar al 100% de la carga sin problemas. Se encuentra en la placa de características del motor.

Pérdidas internas producidas por el rendimiento del motor.

Potencia del motor: La potencia mecánica, en kW, que el motor puede entregar en el eje.

por el ventilador de = Pérdida refrigeración, si está montado

+

Motores con IP-54 son más eficientes que motores con IP-23. La potencia entregada por el motor no debe sobrepasar mucho la potencia nominal, ya que se perdería la reserva que poseen los motores con aislamiento clase F.

Una buena refrigeración significa una baja temperatura de salida del aire comprimido.

+

Pérdidas en la transmisión por el uso de correas o engranajes.

Las pérdidas en la transmisión por correas y engranajes, son prácticamente las mismas. No hay pérdidas en acoplamiento directo..

Potencia en el eje del bloque compresor; la potencia requerida para mover el bloque. Valor puramente teórico.

Fig. 8-5: Reparto de potencias en el compresor

Si además se incluye en la máquina un motor ventilador y una bomba de aceite, también deben de considerarse a la hora de calcular la potencia. Para el usuario es, además, interesante el comparar la potencia del motor con la potencia nominal, para identificar posibles sobrecargas.

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8. Estudio Económico

8.2.2 Caudal entregado y estandarización

Rendimiento del motor

Caudal

DIN

Potencia del motor

kWh

ISO ...

Fig 8-6: Schwieriger Vergleich von Angaben der Kompressorenhersteller

El caudal efectivo (V1) no es el caudal entregado por el compresor, es el caudal efectivo medido respecto a las condiciones de entrada. Fig. 8-7: Medición caudal

Temperatura de entrada T1

Presión de salida p2 Caudal entregado V2

Presión a la entrada p1 Humedad Relativa Frel 1

Temperatura de salida T2

V2 x p2 x T 1 V1 = T 2 x p1

Usando esta conversión es más fácil contrastar el consumo total de la red de aire comprimido a varias presiones con el caudal entregado por el compresor. En la máquina que está sometida a medición, es de gran importancia conocer la presión de salida del bloque compresor, así como las condiciones a las que el caudal es referido y diversas condiciones de la medición.

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8. Estudio Económico

ISO 1217: 1996, anexo B Este estándar hace referencia al caudal efectivo del bloque compresor respecto de las siguientes condiciones: - Sin filtro de aire. - Sin pérdidas de transmisión (correas/engranajes) - Sin considerar posibles motoventiladores instalados. - Sin contar con pérdidas internas (depósito separador de aceite, radiador).

Fig. 8-8: Bloque compresor y motor

ISO 1217: 1996, anexo C El anexo C se refiere el caudal efectivo de todo el compresor a la máxima presión, en la salida del aire comprimido, según las siguientes condiciones: - Teniendo en cuenta todas las pérdidas internas. - Caudal efectivo referido a las condiciones de entrada.

ISO 1217: 1996 Las tolerancias dadas en la siguiente tabla están dadas por los fabricantes, incluyendo las tolerancias en las mediciones. Fig. 8-9: Compresor completo

Caudal según condiciones 3 establecidas en m /min

Caudal

Potencia específica

Consumo energético en vacío.*)

Inferior a 0.5

+/- 7 %

+/- 8 %

+/- 20 %

0.5 – 1.5

+/- 6 %

+/- 7 %

+/- 20 %

1.5 - 15

+/- 5 %

+/- 6 %

+/- 20 %

+/- 4 %

+/- 5 %

+/- 20 %

Superior a 15

*) En el caso de dados por el fabricante

Tabla 8-3: Tolerancias de ISO 1217: 1996

La ISO 1217 da al comprador muchos puntos sobre los que comparar y juzgar, pero siempre hay que fijarse si los valores dados están referidos al mismo estándar, para asegurarse de que realizamos la comparación correcta.

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8

8. Estudio Económico 8.2.3 Comparación entre compresores de tornillo y turbocompresores. Normalmente es complicado comparar compresores grandes, capaces de entregar más de 50 m³/min, pero un método es comparar su potencia específica, como muestra el siguiente gráfico.

Compresor de tornillo kW /(m³/min) Turbocompresor kW /(m³/min) Caudal estándar m³/min Flujo de masa kg/min

160

9,5

140

9

120 8,5

100 80 kg/min m³/min 60

8 kW /(m³/min) 7,5

40 7

20

6,5

0 10-10

0

8

15

25

35

Ansaugtemperatur °C Temperatura de entrada °C

Comparación El caudal puede estar expresado respecto a las condiciones estándar o al flujo de masa. La potencia específica está referida al caudal en condiciones estándar a diferentes temperaturas de entrada. La temperatura media anual en Europa es algo menor de 10 ºC, en cuyo caso, el compresor de tornillo presenta una mejor potencia específica.

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9

8. Estudio Económico

8.2.4 Comparación entre compresores lubricados por aceite y libres de aceite.

A la hora de elegir un compresor, suele plantearse la disyuntiva entre un compresor lubricado por aceite y un compresor libre de aceite, el siguiente gráfico muestra la comparativa entre la potencia específica de los dos tipos de compresores, usando motores en el rango de potencias entre 2,2 y 355 kW. El mantenimiento y los costes energéticos también tienen que tenerse en cuenta cuando se deba tomarse la decisión.

8 Compresores libres de aceite

Potencia específica en kW / (m³/min)

7 6 5

Compresores lubricados por aceite 4 3 2 1 0

2.2

4

7.5

11

18,5

30

45

75

110

160

250

355

Potencia del motor en kW Fig. 8-11: Potencia específica de compresores lubricados por aceite y libres de aceite a 7 bar.

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10

8. Estudio Económico

8.2.5 Comparación entre costos de refrigeración por agua y por aire. El método de refrigeración del compresor juega un papel muy importante en la economía del la producción del aire comprimido. Como se puede observar en el siguiente gráfico, la refrigeración por aire acarrea un menor costo.

Costos de refrigeración

12000 10000 8000 6000 4000 € p.a.2000 0 110

Agua Aire

132

160

200

250

Potencia del motor (kW)

Fig. 8-12: Costes de refrigeración por agua y aire.

Valores tomados Costos del agua: €0,20 /m³ 1) Costos energéticos: €0,08 /kW 2) Horas de marcha: 4,000 p.a. Instalación Refrigerada por aire con canalizaciones para la entrada y salida del aire o refrigerada por agua con conexión al circuito de refrigeración. Las máquinas refrigeradas por agua también necesitan refrigeración por aire. 1) Incluyendo costos de funcionamiento de las bombas de agua, torre de refrigeración, tratamiento de agua, y rellenado de agua. 2) Para el/los motor ventilador(es) Compresores refrigerados por aire Es muy importante que el motor ventilador sea lo suficientemente potente para la extracción y con suficiente empuje para vencer la resistencia de una posible canalización de salida.

Compresores refrigerados por agua Los radiadores para el aceite y el aire comprimido son refrigerados por agua. En algunos casos un motor ventilador es instalado para evacuar el calor del interior de la máquina.

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11

8. Estudio Económico

8.2.6 Impulsión optimizada Motores EPACT Un reciente desarrollo en la reducción de los costos energéticos, en los modernos compresores de tornillo, ha sido la incorporación de motores EPACT. Todo empezó en Estados Unidos, en los años 70, para reducir el consumo de los motores asíncronos trifásicos; con la estipulación, en 1975, de unos mínimos requerimientos de eficiencia, que culminaron en la Política de la Conservación Energética, “Energy Conservation Policy Act“ (EPACT) en 1992. Esto se hizo efectivo a partir de 1997 y los estrictos requerimientos que impuso fueron adoptados por Kaeser como especificaciones estándar el siguiente año. Mientras tanto, la clasificación de motores EPACT respecto al rendimiento y el consumo ha sido adoptada en Europa bajo la etiqueta EFF1, dando muchas ventajas al funcionamiento de los compresores.

temperature

1. Funcionamiento a más bajas temperaturas El motor del compresor entrega potencia a través de su eje y es tomada por el bloque compresor para comprimir aire, en este proceso se produce un calentamiento de ciertos componentes y fricción en los rodamientos del motor, Insulation class F representando perdidas internas. Estas pérdidas pueden ser de Insulation class B hasta el 20 % en pequeños motores y del 4-5 % en motores de más de 160 kW. La nueva gama de motores EPACT y EFF1 producen mucho menos calor y por lo tanto menores pérdidas. Un motor convencional con aislamiento clase F funciona a una temperatura de unos 80 ºC, con una reserva de 25 K. Sin embargo, los nuevos motores de alto rendimiento trabajando en las mismas power condiciones trabajaría a una temperatura de unos 65 ºC, aumentando la reserva a 40 K. (Fig. 8-13). Fig. 8-13: Calentamiento de los bobinados

2. Una vida más larga Menores temperaturas de funcionamiento, implican menos estrés térmico en el motor, con lo que los rodamientos y los terminales ven alargada su vida operativa Ejemplo de reducción de costos energéticos

Motor Estandar

Motor EPACT

Potencia

15 kW

15 kW

Rendimiento

85 %

89 %

Pérdidas de potencia

2.25 kW

1.65 kW

Ahorro Ahorro energético anual (8,670 h; €0.08 /kWh)

600 W €416.16 Tabla. 8-4: Ahorro energético con motores EPACT

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12

8. Estudio Económico

Nuevos

Rendimiento %

Anteriores

0 Potencia del motor en %

100 105 - 110 Fig. 8-14: Desarrollo de los motores eléctricos hasta los EPACT

Operación del bloque compresor de un compresor de tornillo. La potencia específica de un compresor de tornillo viene dada por la relación entre el caudal y la potencia consumida. La figura Fig. 8-15 ilustra que la utilización óptima de un bloque compresor se alcanza a una determinada presión y velocidad. Curva de la potencia específica de un bloque compresor a 7 bar según velocidad y caudal. Potencia específica kW min m³ 7.0 Bloque compresor

6.5

6.0

5.5

Punto de operación optimo

0

500

1000

1500

2000

2500

9

14

19

24

-1 3000 rpm

Velocidad

m³/min Caudal (FAD)

Fig. 8-15: Potencia específica de un bloque compresor

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13

8. Estudio Económico

Acoplamiento directo entre motor y bloque compresor.

En la fabricación actual de compresores de más de 18,5 kW y en el rango de presión entre 5,5 y 15 bar se utiliza el acoplamiento directo entre el motor y el bloque compresor, con el objetivo de trabajar en la zona de mejor potencia específica. Esto significa que el bloque y el motor giran a la misma velocidad sin perdidas en la transmisión. Fig. 8-16: Acoplamiento directo

Es más, los bloques compresor que trabajan a relativamente bajas velocidades, como 3000, 1500 o 1000 rpm tienen un duración más larga, así como los motores a los que están acoplados Uso de los bloques en el punto óptimo de operación Potencia específica kW min m³ 7.0

Bloque 1

6.5

6.0

Bloque 2

Bloque 3

Bloque 4

5.5 Puntos de operación de cada bloque

14

18

23

30

m³/min Caudal (FAD)

Fig. 8-17: Potencia específica de diferentes bloques compresor a 7 bar y 1500 rpm.

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14

8. Estudio Económico

Los más avanzados fabricantes de compresores son capaces de hacer bloques de baja velocidad para cada gama de compresor, y hacerlos trabajar en sus zonas de operación optima. Estos tienen grandes ventajas sobre la mayoría de los compresores del mercado que usan bloques de alta velocidad y transmisión por correas o engranajes (Fig. 8-18). Como el consumo de energía representa entre 70-80 % del total de los costos de producción de aire comprimido, esto conlleva a un ahorro considerable por parte del usuario. Bloque de pequeño tamaño => mayor velocidad => mayor potencia específica => menor duración => menor inversión => mayor costo en el total de la producción de aire comprimido. La tecnología disponible puede reducir los costos energéticos considerablemente. (ver Fig. 8-19). Costo energético (%)

Potencia específica

Zonas de uso de los bloques

kW min m³ 7.0

Bloque más pequeño Bloque más grande Bloque 2

Bloque 1 6.,5

6.0

Área de uso más frecuente* Punto de operación óptimo

5.5

Zona óptima de uso*

Caudal m³/min Fig. 8-18 Zona de uso de los compresores de tornillo

100 ca. 6% ca. 4,5%

Minimizar el consumo de aire minimizando las fugas reduciendo la presión. Se puede reducir la presión hasta 1 bar con el uso de un controlador.

90 ca. 10% 80

Ahorro energético potencial por el uso de un controlador del compresor moderno

Mejor utilización mediante el uso de un controlador moderno basado en un PC industrial.

ca. 10%

Por el uso de modernos bloques, transmisión eficiente y motores EPACT.

70

60 Ahorro potencial Fig. 8-19: Ahorro energético mediante un sistema óptimo.

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15

8. Estudio Económico

8.3 Cálculos económicos 8.3.1 Costos energéticos Para un cálculo simple de los costes energéticos a plena carga se puede usar la siguiente fórmula.

ENTRADA

FORMULA Potencia nominal

Motor. Potencia nominal: A la máxima presión (g) Rendimiento:

CÁLCULOS

kW

+

+

0.

Rendimiento:

kW

Consumo eléctrico total

Potencia consumida total kW FAD de la unidad completa

m³/min

m³/min

FAD de la máquina completa? Según: ISO 1217: 1996 Anexo C a la máxima presión (g) Practico

kW

=

= Potencia consumida total

0.

¿Que caudal conocemos? FAD del bloque compresor Según ISO 1217: 1996 Anexo B Teórico

0.

Rendimiento motor ventilador

No. unidades: Potencia nominal:

=

0.

Pot. Nomin. Motor ventilador x No. unidades

Motor ventilador (si está instalado)

kW x

kW

Rendimiento

=

= Potencia específica

Potencia específica a la máxima presión (g)

m³/min

Consumo de aire:

Horas de trabajo anuales: (1, 2 o 3 turnos)

m³/min

h/a

Potencia Específica

Horas de Trabajo Anuales

Consumo de x aire x

x kW/(m³/min)

x m³/min

x x

h/a

Costo Eléctrico

Precio del kWh.

= €/kWh

kW/(m³/min)

= Costo energético anual

€/kWh

€/año Costo energético

En estos cáculos no se ha tenido en cuenta el consumo de los compresores en el caso de trabajar en vacío.

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16

8. Estudio Económico 8.3.2 Cálculo económico total Consumo de aire Horas de trabajo Interés Periodo de depreciación Costo energía eléctrica Costos agua de refrigeración Costos de aceite Cálculo de costos de mantenimiento Cálculo de costos de aceite Modelo de compresor Fabricante Fabricante del bloque Modelo de bloque Tipo de bloque

1,000 m³/año 1,800 Días de trabajo: 250 Horas / año 6,000 % 6 Caudal: 5.00 m³/min años 5 Euro / kWh 0.08 Euro / m³ 0.25 Euro / litre 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 Si / No No Si / No No Compresor 1 Compresor 2 Compresor 3 Compresor 4 Compresor 5 BSD 72 A B C D KAESER Competidor A Competidor B Competidor C Competidor D KAESER Competidor A Competidor B Competidor C Competidor D SIGMA Lubricado por Lubricado por Lubricado por Lubricado por Lubricado por aceite aceite aceite aceite aceite

" "=Lubricado por aceite; 1=Libre de aceite; 2=pistón;3=Turbo; 4=Rotativo; 5=DkB Nº máquinas trabajando de base Nº máquinas cubriendo los picos " "= refrig. por aire; 1= refrig. por agua Refrigerante Extractor separado Presión máxima de trabajo Presión mínima de trabajo Caudal a la máxima presión Velocidad del bloque, 1º etapa Velocidad del bloque, 2º etapa Potencia del motor Velocidad del motor Carga del motor a la máxima presión Potencia entregada del motor a máxima presión Rendimiento del motor

Si / No bar bar m³ / min rpm rpm-1 kW rpm % kW %

Empuje residual del extractor Rendimiento del motor del extractor Consumo eléctrico a máxima presión

kW % kW

Potencia específica Potencia del motor en vacío Rendimiento del motor Consumo eléctrico en vacío Proporción tiempo en paro respecto a vacío Agua de refrigeración Carga de aceite Intervalo cambio de aceite Tiempo de la máquina trabajando de base Tiempo de la máquina cubriendo picos Tiempo en vacío Tiempo en paro Precio de compra Costo del capital Costo del aceite Costos de mantenimiento Costos del agua de refrigeración Costos energéticos a plena carga Costos energéticos en vacío Costos totales Costo de la unidad de aire comprimido Costo extra comparando el Compresor 1

0 1 Aire Si

0 1 1 Agua Si

0 1 1 Agua Si

0 1 Aire Si

0 1 Aire Si

8 0,0 6.98 2,960 0 37 2,960 111.76 41.35 94.00

8 0,0 6.60 3,467 0 37 2,960 114.32 42.30 92.50

8 0,0 6.00 6,270 0 37 3,000 103.35 38.24 92.50

8 0,0 5.76 6,101 0 37 3,000 100.81 37.30 90.00

8 0,0 5.70 2,965 0 37 2,965 91.35 33.80 92.20

0.70 71.0 44.98

0.08 77.00 45.83

0.12 76.00 41.50

1.10 70.00 43.02

1.10 70.00 38.23

kW / m³ / min kW % kW % m³ / h l h h h h h Euro Euro / Año Euro / Año Euro / Año Euro / Año Euro / Año Euro / Año

6,443 8.70 89.00 10.76 90 0.0 26.0 0 0.0 4,298.0 170.2 1,531.8 22,510 5,312 0 0 0 15,464 147

6,944 8.20 89.00 9.31 90 2.3 17.9 0 0.0 4,545.5 145.5 1,309.1 23,250 5,487 0 0 2,744 16,664 108

6,916 8.80 88.00 10.16 90 2.0 25 0 0.0 5,000.0 100.0 900.0 23,180 5,470 0 0 2,563 16,599 81

7,468 8.60 80.00 12.32 90 0.0 25 0 0.0 5,208.3 79.2 712.5 27,200 6,419 0 0 0 17,923 78

6,707 8.00 88.00 10.66 90 0.0 25 0 0.0 5,263.2 73.7 663.2 23,040 5,437 0 0 0 16,097 63

Euro / Año Cent / m³ Euro / Año

20,923 1.162 0

25,004 1.389 4.081

24,714 1.373 3.791

24,421 1.357 3.497

21,597 1.200 674

Tabla. 8-5: Ejemplo de cálculo económico (Extraído de un programa de cálculo Kaeser) Seminario de Aire Comprimido KAESER

17

8. Estudio Económico Puntualizaciones en el cálculo económico. Formulas y tablas de los costes de amortización Amortización [€/año]

=

Precio de la máquina x Factor de la anualidad i (1 + i) n

Factor de la anualidad =

(1 + i) n - 1 n = i =

Tiempo de depreciación en años interés en %

Tabla de factores de la anualidad (Equivalente a la amortización por Euro del precio de la máquina) Interes / años 7% 8% 9% 10% 11% 12% 13% 14%

5 0,244 0,250 0,257 0,264 0,271 0,277 0,284 0,291

6 0,210 0,216 0,223 0,230 0,236 0,243 0,250 0,257

7 0,186 0,192 0,199 0,205 0,212 0,219 0,226 0,233

8 0,167 0,174 0,181 0,187 0,194 0,201 0,208 0,216

9 0,153 0,160 0,167 0,174 0,181 0,188 0,195 0,202

10 0,142 0,149 0,156 0,163 0,170 0,177 0,184 0,192

11 0,133 0,140 0,147 0,154 0,161 0,168 0,176 0,183

12 0,126 0,133 0,140 0,147 0,154 0,161 0,169 0,177

13 0,120 0,127 0,134 0,141 0,148 0,156 0,163 0,171

Tabla 8-6: Factores anualidad

Guía de valores de costos de mantenimiento anuales como % del costo energético

Tipo compresor

Valor porcentual

Tornillo lubricado por aceite

Tornillo libre de aceite

3

6

Pistón

10

Turbo

5

Paletas

6

Tabla 8-7: Guía costos de mantenimiento

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18

9.

Planificando una Estación de Compresores

9.1

Estableciendo la Presión de trabajo

9.2

Determinando la Demanda de Aire

9.3

Planificando una estación de compresores Grande

9.2.1 9.2.2 9.2.3 9.2.4 9.2.5 9.2.6 9.2.7 9.2.8 9.2.9

9.3.1 9.3.2 9.3.3 9.3.4

9.4

Consumo de aire de chorros libres con boquillas Consumo de herramientas Neumáticas Consumo de aire de cilindros neumáticos Volumen de aire en tuberías de aire comprimido Determinando la demanda con utilización y concurrencia Planificando una Estación de Compresores Pequeña Seleccionando tipo y tamaño de compresor Tiempo del compresor funcionando y en paro Dimensionando tanques de almacenamiento

ADA y KESS Diagramas de disposición de la estación de compresores Ventilando el cuarto de compresores Ejemplos de diagramas de disposición de estaciones de Compresores

SIGMA AIR UTILITY

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1

9. Planificando una Estación de Compresores El análisis cuidadoso de la demanda de aire comprimido debería ser la base para planificar una estación de compresores. El punto de i nicio puede s er un análisis detallado del desempeño de la planta o, si se empieza de cero, listar cuidadosamente por un especialista de componentes de todas las demandas a ser requeridas por la nueva estación. Un plano de el lugar en donde se instalará la estación es necesario y un diagrama general de flujo de tal manera que los datos básicos pueden ser establecidos y la ubicación de puntos de medición para diagnosis subsecuentes sea determinada. Un diagrama general de disposición del sistema de suministro de aire y cualquier información relevante de condiciones de operación también serán necesarios.

9.1 Estableciendo la Presión de Trabajo La presión de trabajo requerida de cada uno de los consumidores puede ser establecida usualmente según las especificaciones del fabricante marcadas en los equipos. De mayor significado es la presión de trabajo mínima especificada y a esta deben ser sumadas las perdidas de presión que se esperan en el sistema por la tubería de distribución y los dispositivos de tratamiento de aire como secadores y filtros. Esta presión debe ser garantizada en l a salida del tanque de almacenamiento para asegurar, incluso bajo circunstancias desfavorables, los consumidores de aire siempre reciban el suministro que necesitan. La presión máxima del compresor es determinada entonces sumando el diferencial de control. La grafica da alguna idea de las presiones de trabajo requerida por varios consumidores.

Herramientas de aire

Apilador y llantas de camión

Equipo de montaje de llantas

Cabina de pintura

Plataforma elevadora

bar

Pistolas selladoras

Fig. 9-1: presiones de trabajo de consumidores de aire

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2

9. Planificando una Estación de Compresores Ejemplo para determinar la presion máxima La tabla de abajo da la máxima y mínima caída de presión que se puede dar por varios ítems en la estación de compresores. Componenente Tuberia de distribucion de aire Secador refrigerativo Secador desecante, incluyendo prefiltro y filtro de particuas Prefiltro

Δpmin [bar]

Δpmax [bar]

0.1

0.3

0.2

0.5

0.3

1.0

0.1

0.6

Microfiltro

0.1

0.6

Filtro de carbon activado Adsorcion con carbon activado Control maestro (diferencial de coneixon)

0.1

0.3

0.1

0.3

0.2

3

Tab. 9-1:Caída de presión en varios componentes

El ejemplo de abajo muestra como la presión máxima en la estación de compresores se determina con la suma de la presión mínima de trabajo de los consumidores y la suma de las caídas de presión que suceden en medio, incluyendo la variación por control necesaria para regular los compresores.

Máxima presión en compresores

Diferencial de presión por control

Presión mínima en el tanque

7.4 bar

= 0.2 bar

+ 7.2 bar

Caída de presión en el secador desecante y filtro

= 1.0 bar

tubería

conexiones

Mínima presión en el consumo

+ 0.1 bar

+ 0.1 bar

+ 6 bar

Fig. 9-2: Ejemplo de cálculo de presión máxima en el compresor Seminario de Aire Comprimido KAESER

3

9. Planificando una Estación de Compresores

9.2 Determinado la demanda de aire 9.2.1 Consumo de aire de boquillas con chorro libre Diametro de Seccion de la la boquilla en boquilla en mm mm²

Presión de trabajo en bar

0.1 0.2 0.3 0.5 1

0.0079 0.0314 0.0707 0.1963 0.7854

1 0.0002 0.0007 0.0017 0.0046 0.0184

2 0.0003 0.0011 0.0025 0.0069 0.0276

4 0.0005 0.0018 0.0041 0.0115 0.0459

6 0.0006 0.0026 0.0058 0.0161 0.0643

8 10 12 15 0.0008 0.001 0.0012 0.0015 0.0033 0.004 0.0048 0.0059 0.0074 0.0091 0.0107 0.0132 0.0206 0.0252 0.0298 0.0367 0.0826 0.1009 0.1192 0.1467

1.5 2 3 4 5 6 8

1.767 3.142 7.069 12.566 19.635 28.274 50.265

0.041 0.074 0.166 0.295 0.461 0.664 1.180

0.062 0.110 0.248 0.442 0.690 0.994 1.767

0.103 0.184 0.413 0.735 1.148 1.653 2.939

0.145 0.257 0.578 1.028 1.606 2.313 4.112

0.186 0.330 0.743 1.321 2.064 2.973 5.285

1.844 2.656 4.150 7.377 11.53 16.60 1.013 15

2.761 4.593 6.425 8.258 10.09 11.92 14.67 3.975 6.614 9.252 11.89 14.53 17.17 21.13 6.211 10.33 14.46 18.58 22.70 26.83 33.01 11.04 18.37 25.70 33.03 40.36 47.69 58.68 17.25 28.71 40.16 51.61 63.06 74.52 91.69 24.84 41.34 57.83 74.32 90.81 107.30 132.04 bar Rango de flujo en boquillas con esquinas redondeadas en ³/min °C

10 78.54 12 113.10 15 176.71 20 314.16 25 490.87 30 706.86 Presion atmosferica: Temperature ambiente:

0.227 0.404 0.908 1.614 2.523 3.632 6.458

0.268 0.477 1.073 1.908 2.981 4.292 7.630

0.330 0.587 1.320 2.347 3.668 5.282 9.390

Tab. 9-2: Consumo de aire en chorros libres con boquilla relacionados con el 100 % de eficiencia Fig. 9-3: consumo sobre proporcional para cada incremento en diámetro de boquilla.

consumo de chorros libres con boquilla volumen de aire en m³/h

700 600

8 mm ø boquilla 7 mm ø boquilla 6 mm ø boquilla 5 mm ø boquilla 4 mm ø boquilla 3 mm ø boquilla 2 mm ø boquilla

500 400 300 200 100 0 1

2

3

4

5

6

7

8

9 10 11 12 13 14 15 16

presion de trabajo en bar in bar Seminario de Aire Comprimido KAESER

4

9. Planificando una Estación de Compresores 9.2.2 Consumo de herramientas neumaticas Equipo

Tipo, tamaño

Presión de Trabajo

Pistolas de spray /pintura Colores de agua y laqueadoras de celulosa delgada, boquilla-Æ 0.5 mm

Consume de aire l/min

m³/h boquilla Plana redonda plana redonda

1.0

45

35

3

2

2.5 3.5

150 215

110 160

9 13

7 10

Celulosa gruesa y lacas sintéticas normales 2.0 mm

4.5

270

180

16

11

Color adhesivo, filtro 3.0 mm

5.0

320

230

19

14

Pistolas de soplado 1-1.5-2.0 mm

6.0

60,135,240

4,8,14

Pistolas de aspersión

3.0

65

4

Cilindros engrapadores (simple acción) 70x100 100x100

6.0 6.0

2.0 por glpe 0.12 4.5 por golpe 0.27

Taladros acero 4-8 mm

6.0

300 - 400

18 - 24

Barreno de impacto

6.0

250 - 500

15 - 30

Discos lijadores 20-100

6.0

300 - 1200

18 - 72

Lijadores de superficie Tamaño del papel 300x100

6.0

250

15

Martillos Martillos remachadores Diámetro de remache Al 3-5 mm Acero 2-3 mm

6.0

150 - 400

9 - 24

6.0

429 - 550

26 - 33

Martillo perforador

6.0

250

15

Picks

6.0

100 - 200

6 - 12

Rompedores de concreto

6.0

1200 - 1600

72 - 96

Engrapadoras

6.0

30

2

clavadoras

6.0

350

21

Celulosa y laqueadoras delgada sintéticas 1.5 mm/1.8mm

Remachadora y formones Diámetro del remache caliente 10-19 mm frio 6-8 mm

Tab. 9-3: Requerimiento de Presión y volumen de herramientas neumáticas

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9. Planificando una Estación de Compresores 9.2.3 Consumo de aire de Cilindros Neumáticos El Consumo de aire de cilindros neumáticos instalados en máquinas y otros dispositivos puede ser establecido según la tabla de abajo. Los valores son dados para cilindros de una sola acción y debe ser duplicado para cilindros de doble acción.

Piston Æ mm 6 12 16 25 35 40 50 70 100 140 200 250

1

2

3

4

5

Presion de trabajo en bar 6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

Consumo de aire en litros por cm de golpe del pistón 0.0005 0.0008 0.0011 0.0014 0.0016 0.0019 0.0022 0.0025 0.0027 0.0030 0.0033 0.0036 0.0038 0.0041 0.0044 0.002 0.003 0.004 0.006 0.007 0.008 0.009 0.010 0.011 0.012 0.013 0.014 0.015 0.016 0.018 0.004 0.006 0.008 0.010 0.011 0.014 0.016 0.018 0.020 0.022 0.024 0.026 0.028 0.029 0.032 0.010 0.014 0.019 0.024 0.029 0.033 0.038 0.043 0.048 0.052 0.057 0.062 0.067 0.071 0.076 0.019 0.028 0.038 0.047 0.056 0.066 0.075 0.084 0.093 0.103 0.112 0.121 0.131 0.140 0.149 0.025 0.037 0.049 0.061 0.073 0.085 0.097 0.110 0.122 0.135 0.146 0.157 0.171 0.183 0.195 0.039 0.058 0.077 0.096 0.115 0.134 0.153 0.172 0.191 0.210 0.229 0.248 0.267 0.286 0.305 0.076 0.113 0.150 0.187 0.225 0.262 0.299 0.335 0.374 0.411 0.448 0.485 0.523 0.560 0.597 0.155 0.231 0.307 0.383 0.459 0.535 0.611 0.687 0.763 0.839 0.915 0.991 1.067 1.143 1.219 0.303 0.452 0.601 0.750 0.899 1.048 1.197 1.346 1.495 1.644 1.793 1.942 2.091 2.240 2.389 0.618 0.923 1.227 1.531 1.835 2.139 2.443 2.747 3.052 3.356 3.660 3.964 4.268 4.572 4.876 0.966 1.441 1.916 2.392 2.867 3.342 3.817 4.292 4.768 5.243 5.718 6.193 6.668 7.144 7.619 Tab. 9-4: consume de aire de cilindros neumáticos

Ejemplo Un cilindro de doble acción tiene un diámetro de 40 mm en su pistón con un golpe con carrera de 12 cm trabajando a bar. El consumo de aire para un solo golpe (pistón desde el principio al final de la carrera y de regreso) q = 0.085 x 12 x 2 = 2.04 litros. Si la razón de accionamientos es de 15 por minuto, el rango de consumo es de Q = 2.04 x 15 = 30.6 litros por minuto.

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9. Planificando una Estación de Compresores 9.2.4 Volumen de aire en tuberías de aire comprimido Uno puede considerar la tubería de aire comprimido como almacenamiento de aire; estas pueden ser llenadas y servir con función de almacenamiento. Cuando estén dimensionadas incorrectamente estas pueden representar una resistencia significante al flujo y perdida de presión. Usando el monograma Para poder determinar el volumen de aire del nomograma, se deben saber la distancia, el diámetro y la presión de trabajo. Una línea tomada verticalmente de la presión de trabajo en el eje x a el diámetro nominal y después horizontalmente al eje Y da el volumen especifico en litros por minuto. Este multiplicado por el largo de la tubería, da el volumen máximo utilizable. Ejemplo Una tubería de 13 mm nominales, 5 m de largo con una presión de trabajo de 6 bar se llena con un volumen: 0.8 l/m x 5 m = 4 litros.

l/m 2.6

DN 19

2.4 2.2 2.1 2.0 1.8 1.6 1.4 1.2

DN 13

1.0

0.8

0.8

DN 9

0.6 0.4 Fig. 9-4: Nomograma para determinar el volumen requerido para llenar una tuberia de aire comprimido

DN 6

0.2 0

DN 4 2

3

4

5

6

7

8

9

10

bar

Usando la formula Volumen = DN p L

= = =

DN² 4,000

xπxpxL

[litros]

diámetro nominal. [mm] presión de trabajo [bar] largo de la tubería [m]

Ejemplo: Una tuberia de 40 mm de diametro, 50 m de largo a 10 bar de presion requiere: V = (40² / 4,000) x π x 10 x 50 = 628 litros Seminario de Aire Comprimido KAESER

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9. Planificando una Estación de Compresores 9.2.5 Determinado la demanda según utilización y concurrencia Requerimiento de cálculo para una nueva estación de compresores Son difíciles los cálculos de requerimiento sin datos comparables de una instalación existente, simplemente sumar los requerimientos de los dispositivos de aire comprimido individuales lleva a resultados incorrectos, ya que no t odos se utilizan el 100% del tiempo. Es mas, no todos se utilizan en el mismo momento. El tiempo de uso efectivo de algunos consumidores, como pistolas neumáticas para limpieza de piezas, no puede ser determinado exactamente y debe ser sumado al cálculo como un simple factor. Las fugas no pueden ser ignoradas, incluso en nuevas instalaciones, y estas deben ser calculadas con un factor de h asta 10%. También hay que incluir un f actor para ampliaciones o crecimientos futuros. El volumen de aire total requerido debe ser entregado por los compresores a la presión de trabajo requerida en todo momento, por esta razón el escoger compresores y su operación armoniosa es de primera importancia. Utilización En general, las herramientas neumáticas no se usan en forma continua y la proporción del tiempo de uso con respecto a una base de tiempo, debe ser tomada en cuenta en la planificación de una estación de compresores. Ejemplo: Pistola de aspersión.

Tiempo de uso en una hora Tiempo de no utilización en una hora Tiempo total de uso en 1 hora: 25min

Fig. 9-5: Uso proporcional de una herramienta neumática

Utilización

=

Tiempo de uso Tiempo total

=

25 min 60 min

ð Utilizacion de la pistola de aspersión cada hora 40 %

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9. Planificacion de la Estación de Compresores Resumen de procedimientos para determinar la demanda de aire 1. Número de consumidores 2. Requerimientos por consumidor 3. Utilización: Proporción del tiempo en el cual un consumidor esta en uso en cualquier periodo de tiempo dado. Ejemplos de utilización: Taladro: 30% Rectificadora: 40% Martillo percutor: 30% Apisonadora: 15% Moldeadora: 20% Pistola de aire: 10% 4. Factor de simultaneidad: La tabla muestra valores basados en la experiencia para el número de consumidores simultáneamente utilizados en la misma red de aire. Factor de simultaneidad Numero de Factor de consumidores simultaneidad 2 0.96 4 0.9 6 0.85 8 o mas 0.8

5. Margen para fugas (dependiendo del tipo de industria) 10, 15, 20 % 6. Margen para expansión sobre 5-10 años: 25 % - 50 % - 75 % - 100 % (de acuerdo a una operación dada de la fábrica)

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9. Planificando una Estación de Compresores

9.3 Planificación de una Estación de Compresores Pequeña 9.3.1 Selección del tamaño y tipo de compresor Características de compresores de pistón y de tornillo (p.ej. máquinas pequeñas) En muchos casos, tanto compresores de tornillo como de pistón pueden ser utilizados para una aplicación particular, por lo tanto las características de ambos deberían ser evaluadas al tomar la decisión. Compresor de Pistón Régimen de carga: 70 %. Buen requerimiento de potencia específica pero creciente en el tiempo. Fuertes pulsaciones. Pobre calidad de aire, necesita tratamiento extensivo Alta rata de desgaste. Altos costos de mantenimiento. Corta vida. Ruidoso. Compacto, fácil de trasportar.

Compresor de Tornillo Económico para cargas mayores al 30 % Intervalos de mantenimiento más largos. Régimen de carga de 100 % posible. Amortiguamiento de la vibración. Efectivo post-enfriador de aire integrado (Δt £ 10 K). Control ventajoso.

Ejemplo de dimensionamiento del compresor Un pequeño taller de pintura tiene los siguientes requerimientos de aire

Requerimiento Presión Número Factor utilización Requerimiento efectivo de aire

Pistola de Pistola de Pistola de aire, pintura, pintura, 2 mm 1.5 mm 3.0 mm Chorro amplio Chorro amplio 150 l/min 320 l/min 240 l/min 2.5 bar 5 bar 6 bar 2 1 1 50 % 25 % 10 % 2 x 150 x 0.5 320 x 0.25 240 x 0.1 150 l/min 80 l/min 24 l/min Requerimiento total = 150 + 80 + 24 + 80 = 334 l/min

Destornillador neumático 400 l/min 6 bar 1 20 % 400 x 0.2 80 l/min

Tab. 9-5: Establecimiento del requerimiento total de aire

Se deben sumar los siguientes márgenes:

Compresor de Pistón: Régimen de carga óptimo: 70 % Requerimiento de entrega: (334 + 33 + 50 + 66) l/min / 0.7 = 690 l/min. El compresor de pistón debe suministrar una entrega efectiva de 690 l/min a 8 bar. Maquina seleccionada Modelo EPC 1100 – 500; 715 l/min efectivo entrega a 8 bar.; potencia motor 5.5 kW.

Fugas Error de calculo Reserva

+ 10 % = 33 l/min + 15 % = 50 l/min + 20 % = 66 l/min

Compresor de Tornillo: Régimen de carga óptimo: 100 % Requerimiento de entrega: (334 + 33 + 50 + 66) l/min = 483 l/min. El compresor de tornillo de tener una entrega efectiva de 483 l/min a 7.5 bar. Maquina seleccionada Modelo SX 6-150; 583 l/min efectivo entrega a 7.5 bar; potencia motor 4 kW.

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9. Planificando una Estación de Compresores 9.3.2 Tiempos de carga y receso del compresor Ejemplo: Compresor de Pistón EPC 1100-500 Entrega efectiva: 715 l/min Volumen del tanque: 500 l Límites conmutación: On: 7 bar Diferencial de conmutación = 2 bar Off: 9 bar Requerimiento Aire: 334 l/min Tiempo de carga:

334 l/min

Fig. 9-6: Calculo del tiempo de carga

715 l/min

Entrega adicional 381 l/min

7

9

Presión en el acumulador

Volumen del tanque = tamaño del tanque x diferencial conmutación = 500 l x 2 = 1000l Tiempo de carga = volumen del tanque / entrega adicional = 1000 l / 381 l/min = 2.62 min El tiempo de carga para aumentar la presión en el tanque de 7 a 9 bar es 2.6 minutos. (Por cada 500 l de volumen almacenado adicional, la presión del tanque se incrementa 1 bar) Tiempo de receso: 334 l/min

Fig. 9-7: Calculo del tiempo de receso

7

9

Presión en el acumulador Tiempo de receso = volumen del tanque / consumo = 1000 l / 334 l/min = 2.99 min Por cada 500 l tomados del tanque, la presión cae 1 bar. Tiempo de receso en el tanque para que la presión caiga de 9 a 7 bar = 3 min. El volumen almacenado de 1000 l puede suministrar aire a los consumidores durante 3 minutos sin que el compresor se encienda nuevamente. Frecuencia de arranque del motor: Tiempo de carga (on) = 2.6 min Tiempo de receso (off) = 3.0 min Intervalo de conmutación = 5.6 min Frecuencia de arranque = 60 min / 5.6 min = 11 arranques /hora

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9. Planificando una Estación de Compresores 9.3.3 Dimensionando el tanque de aire El tanque de aire es uno de los componentes más vitales en un sistema de aire comprimido. Este sirve como refrigerador del aire, separador de condensados, amortiguador de pulsaciones y como reserva. Así como un tanque de aire grande puede mejorar las condiciones económicas del sistema de aire comprimido, uno demasiado pequeño puede impedir el funcionamiento correcto del mismo. En una gran red de distribución de aire, la misma tubería ejerce funciones de almacenamiento de t al forma que un tanque de menor tamaño puede ser utilizado Ejemplo de cálculo Con el fin de limpiar los filtros en una planta de generación eléctrica a partir de residuos, se requiere una ráfaga de aire comprimido a razón de 50 m³/m por un minuto cada 4 horas. (Presión mínima de trabajo 4 bar) La demanda total (volumen almacenado) es: V = demanda x tiempo = 50 m³/min x 1 min = 50 m³ Existen tres posibles arreglos del tanque de aire como amortiguador de reserva:

Fig. 9-8: Planta de generación eléctrica

Diferencial de conmutación de 1 bar, tanque de almacenamiento de 50 m³ (grande y costoso) Diferencial de conmutación de 5 bar, tanque de almacenamiento de 10 m³ (mejor solución) Diferencial de conmutación de 25 bar, tanque de almacenamiento de 2 m³ (alta presión y costoso) La entrega requerida del compresor para llenar el tanque de almacenamiento esta dada por: V = 50 m³ / 4 h (= 240 min) = 0.2 m³/min Un compresor de tornillo relativamente pequeño – modelo SX 3 con una entrega efectiva de 0.233 m³/min a 10 bar – sería adecuado. Entrega

m³/min logarítmico

100

Demanda

10

1

0.1

0

1

2

3

4

5 6 7 8 Tiempo en horas

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9

10

Fig. 9-9: Entrega y demanda

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9. Planificando una Estación de Compresores Calculo del tanque de aire como acumulador Con frecuencia se requiere que un sistema de emergencia sea suministrado con aire comprimido durante una falla del suministro eléctrico, en t al caso se necesita un t anque almacenador, aislado de l a red principal por una válvula cheque, para proporcionar este suministro. Adicionalmente, algunas operaciones requieren cada cierto tiempo de ráfagas de alto volumen de aire. Con el fin de ahorrar energía no es aconsejable proporcionar una gran capacidad de al macenamiento en f orma de diferencial de c onmutación, es mejor y más económico proporcionar un tanque acumulador dimensionado correctamente, el tamaño del cual puede ser calculado como sigue: VB Vxt V t p A - pE pA pE

= = = = = = =

Volumen del tanque acumulador en [m³] Volumen a ser almacenado, donde: Flujo Tiempo en el que V es requerido en [min] Caida de presion en el tanque acumulador, donde: Presion inicial en el tanque en [bar] Presion final en el tanque en [bar]

VB =

Vxt p A - pE

Ejemplo de cálculo: V = 4 m³/min t = 5 min = 10 bar pA pE = 8 bar Tanque de aire: VB = 4 x 5 / (10 – 8) = 10 m³ Calculo dependiendo de la frecuencia permisible de entrada en carga del compresor Un adecuado tanque acumulador puede servir para reducir la frecuencia de ar ranque (entradas en carga) del compresor. El diferencial de c onmutación de un sistema debe ser mantenido tan bajo como sea posible, sin embargo no se debe ignorar la máxima frecuencia de arranque del compresor. El volumen del tanque requerido para tal efecto se calcula como sigue: VB = Δp = Z

=

A = V1 = V2 =

Volumen del tanque acumulador en [m³] V x (A - A²) Diferencial de conmutación del controlador del compresor VB = en [bar] Z x Δp La máxima frecuencia permisible de entrada en carga del compresor en operación continua o el numero máximo de arranques del motor para el caso de control on/off. V2 / V1 = factor de utilización (si V2 no es conocido o fluctuante, escoja, A = 0.5) Entrega del compresor en in [m³/h] Demanda de aire de la operación en [m³/h]

Ejemplo de cálculo: V1 = 5.0 m³/min, V2 = 4.0 m³/min, Δp = 0.5 bar Z = 60 entradas en carga por hora (compresor de tornillo en operación continua) Factor de utilización: A = 4.0 / 5.0 = 0.80 Tamaño del tanque: VB = (5.0 x 60) x (0.80 – 0.80²) / (60 x 0.5) = 1.60 m³ Tamaño del tanque: 2 m³

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9. Planificando una Estacion de Compresores

9.4 Planificando una Estación de Compresores Grande Primero se debe calcular la máxima presion de diseño de los compresores. A la presion requerida mínima, se le suma la caída de presion a través de la red de distribución, los componentes del sistema de aire, la misma estación y el diferencial de conmutación. (Ver 910). Mínima del consumidor

Consumidor

+

Caída de presión del sistema de tratamiento nuevo

1

Caída de presión de red de distribución

2

Máx. Caída permisible a través del sistema de tratamiento

3

Caída de presión interna en la estación

4

+ + +

Diferencial de conmutación Presión de diseño máxima del compresor

Fig. 9-10: Determinación de la presión de diseño máxima del compresor

Los siguientes valores pueden ser tomados como guía al calcular la caída de presión 1 £ 0.1 bar 2 Secador refrigerativo 2 Secador desecante (Incluye filtros) 2 Filtros FE/FF 2 Filtros FB/FC/FD 2 Filtros FG 2 Filtros FST

£ 0.2 bar £ 0.8 bar £ 0.6 bar £ 0.6 bar £ 0.2 bar £ 0.2 bar

3 < 0.05 bar 4 < 0.2 hasta 2 bar dependiendo del tipo

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9. Planificando una Estación de Compresores Determinando la demanda de total de aire 1. Cuando se planea una estación de compresores nueva sin contar con valores comparables de una estación ya existente de los requerimientos de herramientas neumáticas y maquinas. Cuando se planea una nueva instalación sin contar con valores comparables de una estación ya existente, los consumidores deberán ser listados con sus requerimientos individuales. Se pueden agrupar los dispositivos similares y el requerimiento total del grupo se tomara considerando los factores de utilización y simultaneidad. Herramien ta / Grupo de maquinas

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

Requerimientos individuales de maquina o herramienta VW1 (m³/min)

Numero de herramientas W

Utilización Simultaneidad AL (%) GZ (%)

Consumo del grupo VW1 x W x AL x GZ 100 100 = VWG (m³/min)

Demanda total de aire de maquinas / herramientas VWges = m³/min

El total de los requerimientos se encontrará al sumar los grupos. Deben ser sumados adicionalmente consumidores varios y fugas. Total de la demanda de aire de la operación Consumidores varios Vsonst = ..........m³/min Fugas en la red VLeck = ..........m³/min = VWges + Vsons + VLeck Total demanda de aire Vges Vges = ..........+ ........+ ......... = ..........m³/min

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9. Planificando una Estación de Compresores 2. Planificando la capacidad de un compresor de reserva o una instalación paralela a la planta existente Si ya existe una estación de compresores bien mantenida, hay dos formas por las cuales se puede determinar la demanda de aire a la cual esta sometida dicha estación: Medición digital por medio de un registrador de datos ADA (analizador de demanda de aire) y una opto acoplador, tomando medidas en intervalos cortos y regulares con el fin de determinar el tiempo en marcha del compresor, tanto a plena carga como en cargas parciales, y el tiempo de receso. - Es posible, con la ayuda de equipos especiales, medir compresores con frecuencia variable o con control modulante. - Adicionalmente, el registrador de datos adquiere, registra y almacena los valores máximos, mínimos y promedios por un periodo determinado de tiempo. -

Fig. 9-11: Registrador de datos ADA

- Mediciones directas de flujo, cuando la evaluación a partir de la utilización no es posible. Esto aplica especialmente para compresores mantenidos pobremente, donde el desgaste y filtros de ad misión saturados conducen a menor FAD y a gastos de potencia mas altos de los dados en la información técnica de los compresores. Adicionalmente, con este método se pueden medir acertadamente flujos parciales de aire comprimido

Fig. 9-12:Flujometro

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9. Planificando una Estación de Compresores 9.4.1 ADA y KESS Medición de una estación existente de compresores con ADA (Air Demand Analysis). El data logger del ADA determina la utilización de compresores individuales para determinar la continua demanda de aire. Puede medir compresores con control on/off como así también aquellos con control de modulación y frecuencia. El gráfico muestra la demanda de aire relacionada a varios turnos y períodos de inactividad como así también los rangos de fugas, es decir, demanda en fines de semana cuando no hay producción.

Demanda en días de semana

Turno final

Turno noche Turno inicial

Inactivo

Demanda en fines de semana

Fig. 9-13: Analisis de Demanda de Aire

Después del análisis de los datos recolectados con KESS (Kaeser Energy Saving System), emergen dos alternativas que podría suplir la demanda: Alternativa sin standby 2 x BSD 62 / 7 bar 2 x ASD 32 / 7 bar 1 x SAM 4/4 Alternativa con standby 3 x BSD 62 / 7 bar 2 x ASD 32 / 7 bar 1 x SAM 8/4

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9. Planificando una Estación de Compresores ADA y KESS en detalle Mediante ADA, se puede establecer la demanda de aire por un período extenso como también para un solo día, tal como se ilustra en 9-15. Los colores designan a los compresores como carga base, carga media y carga pico así como también para la máquina auxiliar. KESS puede simular la coordinación de los compresores para cumplir con la demanda y también simular diversas alternativas para establecer la solución más económica. 70

60 BSD 62 BSD 62

50

BSD 62

40

DSD 171 DSD 171

30 DSD 171 DSD 171

20

Entrega benötigte requerida Liefermenge

10

00

00

23 :

00

22 :

00

21 :

00

20 :

00

19 :

00

18 :

00

17 :

00

16 :

00

15 :

00

14 :

00

13 :

00

12 :

00

11 :

00

10 :

00

09 :

00

08 :

00

07 :

00

06 :

00

05 :

00

04 :

00

03 :

00

02 :

01 :

00 :

00

0

Fig. 9-15: Utilización y coordinación de los compresores

Además, se pueden grabar y analizar los cambios de presión en toda la red o puntos selectos. (9-16). Carga total para un día miércoles

Baja rápida de la presión a 5.25 bar al comienzo de la producción

Ecualización de la presión en la tubería al final de la producción

Demanda aire

Promedio

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9. Planificando una Estación de Compresores Verificación del consumo de energía Los números exactos muestran el consumo de energía y la eficiencia de energía de cada sistema simulado (9-17) y brindan una base para seleccionar el más ahorrativo.

Fig. 9-17: Análisis de consumo de energía

Predicción realista de ahorro de energía Las herramientas de análisis y simulación ADA y KESS, desarrolladas por Kaeser, permiten realizar una predicción de ahorros de energía que se lograrán empleando las soluciones que se brindan (9-18).

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9. Planificando una Estación de Compresores 9.4.2 Diagrama de una Estación de Compresores Escoger los componentes correctos para una nueva instalación o modernizar una existente es sólo el primer paso; deben ser combinados de manera que hagan más productivo su empleo y más económico su funcionamiento. Esto hará una diferencia considerable, por ejemplo, si el secador es instalado corriente arriba o abajo del receptor de aire. Microfiltro (filtración de acuerdo a la calidad de aire requerida).

La presión que mantiene o airea el sistema principal, la sobrecarga previene el equipo de tratamiento de aire cobrando un aire vacío principal.

Compresor a Tornillo

Tanque con condensador.

Secador refrigerativo con bypass (no necesario con función standby).

Fig. 9-19 Diagrama de una estación de compresores

Separador de Agua - Aceite (Trat. de condensado)

Secador corriente arriba del receptor de aire Ventajas Fig. 9-20: Secador corriente arriba Aire seco en el receptor. Ningún condensado surgiendo en el receptor. La entrega de compresor es el índice de flujo máximo con el que el secador tiene que tratar Desventajas La capacidad del secador debe emparejar la entrega de compresor. La sequedad del flujo de aire parcial no es posible. La temperatura de entrada de aire comprimido es más alta que lo sería río abajo del receptor. Todo el condensado debe ser quitado por el secador. (se recomienda un separador ciclónico corriente arriba) Medidas especiales deben ser tomadas usando compresores de pistón para amortiguar pulsaciones fuertes.

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9. Planificando una Estación de Compresores Secador aguas abajo del receptor de aire Ventajas Se puede diseñar el secador para flujo parcial. La temperatura de entrada de aire es más baja de lo que sería si estuviera aguas arriba del receptor. 70 % del condensado ya se precipita fuera del receptor.

Fig. 9-21: Secador aguas abajo del receptor de aire

Desventajas Condensado en el receptor. El secador se puede sobrecargar por una demanda de aire repentina y elevada del receptor. En los casos en que sea posible, instale el secador de refrigeración con una bifurcación.

Disposición del secador con y sin auxiliar Secador

Desde el compresor

Hacia la red

Fig. 9-22: Disposición del secador con auxiliar.

Secador auxiliar

Desde el compresor

Hacia la red

Fig. 9-23: Disposición sin auxiliar.

Secador

Si se quiere asegurar la calidad del aire, no admita bifurcación.

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9. Planificando una Estación de Compresores

Instalación de compresores pequeños enfriados con aire Compresores integrados Los compresores que incorporan un receptor de aire, tal como se ilustra, no nec esitan base. Se provee un montaje flexible mediante una capa de goma simple de 5 mm de espesor, de dureza media, bajo las patas y bajo las tuercas de l os pernos de apoyo. Los elementos contra la vibración y de amortiguación completan las medidas necesarias contra la vibración. Cuando se conecta a la tubería de distribución de aire, conviene colocar una manguera flexible de aproximadamente 0,5 m de longitud entre la válvula de cierre del receptor de aire y el tubo de aire. (9-24).

Manguera

Fig. 9-24: Manguera conectora

Compresores con receptores autoestables En estas instalaciones, la unidad compresora está montada sobre un plinto de aproximadamente 10 cm de altura. Esto facilita el mantenimiento. Se aplican los mismos principios de montaje flexible para las máquinas integradas que se describen anteriormente (9-25). Los compresores de tamaño mediano o grande se deben instalar en un recinto especial que s ea limpio, sin polvo, seco y fresco. De ser posible, seleccione la orientación norte del edificio y evite o aísle la tubería y el equipo que disipan calor.

compensador

Fig. 9-25: Compresor sobre base

La temperatura del recinto del compresor no de be bajar de los 3º C para evitar daño por congelamiento y corrosión por excesiva condensación. Por esta razón, se deben colocar rejillas ajustables para las aberturas de entrada de aire de enfriamiento para compensar las fluctuaciones estacionarias de la temperatura exterior. Se debe contar con fácil acceso y buena iluminación para el trabajo de mantenimiento y las inspecciones del receptor de aire. Los compresores enfriados con aire evidentemente requieren un flujo adecuado de aire de enfriamiento. La temperatura del recinto del compresor no debe sobrepasar los + 40º C. Normalmente bastará la ventilación natural para máquinas con motores de hasta 22 kW, pero se hace necesaria la ventilación artificial para instalaciones más grandes o recintos pequeños con compresores. El compresor debe estar ubicado cerca de la abertura de entrada de aire de enfriamiento de modo que su ventilador extraiga el aire frío directamente a través de él. Debido a que el aire caliente se eleva, la abertura de escape debe estar ubicada en el cielorraso o e n la pared inmediatamente debajo del cielorraso y debe estar ubicada de tal manera que el aire cálido del compresor fluya hacia ella. Una puerta abierta no siempre aumenta el enfriamiento para el compresor si el aire que entra por la puerta toma el camino más corto hacia la abertura de aire de escape sin rodear al compresor.

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9. Planificando una Estación de Compresores 9.4.3 Ventilación del recinto del compresor General Si hay más de un c ompresor instalado en el recinto, es esencial asegurarse de que todos tengan la ventilación adecuada. Sume la potencia de accionamiento de l os compresores y entonces proceda como si en el recinto estuviera instalado un solo compresor de ese tamaño. Cuide que el flujo de a ire que genera el ventilador del primer compresor no f luya al compresor contiguo, tal como se muestra en la siguiente ilustración, ya que esto crea un enfriamiento incorrecto.

Entrada de aire de enfriamiento

Escape de aire de enfriamiento

Incorrecto

Fig. 9-26: Disposición incorrecta

La solución, de ser posible, es una abertura de entrada de aire de enfriamiento para cada compresor (9-27). El tamaño de la abertura de aire de escape debe ser igual en área al total de las aberturas de aire de entrada individuales. Para calcular el tamaño de las aberturas de aire de entrada individuales, se suman las potencias de accionamiento de los compresores individuales para obtener el flujo de aire de enfriamiento y la abertura de aire de entrada requerida para la potencia nominal total (igual a la abertura de es cape también). El total entonces se distribuye al compresor individual según sus necesidades, de modo que c ada uno tenga una abertura de aire de entrada que corresponda a su tamaño.

Correcto

Abertura de escape, equipada con un extractor si es necesario

Aberturas de entrada

Fig. 9-27: Disposición correcta

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9. Planificando una Estación de Compresores Ventilación natural El aire que el ventilador del compresor atrae al recinto recibe el calor del compresor y se eleva por convección a una presión un tanto elevada para salir del recinto por la abertura de escape. Este tipo de ventilación se recomienda sólo para la utilización con compresores con una potencia de motor de menos de 7.5 kW, ya que se puede ver afectada negativamente por el sol o el viento que inciden en la abertura de escape. El caudal de aire de enfriamiento requerido se especifica en el cuadro 9-7 de la página siguiente. Éste es un cálculo simplificado, en el cual el cielorraso, el piso, las puertas y las ventanas se tratan de igual manera. Temperatura ambiente 35 °C Diferencial de temperatura entre el interior y el exterior: 15 K Grosor de la pared: 25 cm El cuadro 9-8 (pág. 25) indica el tamaño necesario de la abertura de aire de escape para el volumen de aire de enf riamiento y se muestran varias diferencias de al tura entre las aberturas de e ntrada y de escape. La ab ertura de entrada es más grande, como corresponde, para considerar la utilización de rejillas, parrillas, etc.

Altura de abertura de escape

f ab

h Entrada de aire

f zu Fig. 9-28: Ventilación natural

Ejemplo de cálculo Tamaño del recinto: Diferencial de altura h: Potencia de motor de compresor: Supuesto muro de ladrillos.

25 m³ 2.5 m 7.5 kW

Flujo de aire de enfriamiento requerido:

1,300 m³/h (del cuadro 9-7)

Abertura de escape:

0.7 m² (promediado del cuadro 9-8)

Abertura de entrada:

0.7 m², como abertura de escape

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9. Planificando una Estación de Compresores Tab. 9-7: Flujo de aire de enfriamiento por ventilación natural Tamaño del cuarto en m³

Potencia del Flujo de aire requerido en m³/h con paredes hechas de: Compresor Ladrillo Concreto ligero (Motor) en kW Concreto B160 3 4 5.5 7.5 11 15 18.5 22 3 4 5.5 7.5 11 15 18.5 22 3 4 5.5 7.5 11 15 18.5 22 3 4 5.5 7.5 11 15 18.5 22 3 4 5.5 7.5 11 15 18.5 22

25 (2.5 m alto)

50 (2.5 m alto)

100 (3 m alto)

150 (3.5 m alto)

200 (4 m alto)

50 200 700 1,100 1,800 2,700 3,300 4,000 30 100 400 800 1,400 2,400 3,000 3,700

150 370 870 1,300 2,000 3,000 3,600 4,200 125 180 650 1,100 1,800 2,700 3,300 4,000

100 200 900 1800 2,400 3,200

130 400 800 1,500 2,400 3,000 3,700

250 400 1,000 1,500 2,200 3,100 3,700 4,300 200 350 900 1,350 2,100 3,000 3,600 4,250 100 250 750 1,200 1,900 2,800 3,400 4,100

200 400 1,800 1,900 2,600

50 500 1,250 2,100 2,700 3,400

170 600 1,000 1,800 2,600 3,200 3,900

200 1,000 1,800 2,500 3,200

50 400 900 1,600 2,500 3,100 3,800

300 900 1,500 2,200

Tab. 9-8: Abertura de escape Flujo de aire Diferencia en en m³/h la altura en m

1,000

1,500

2,000

3 4 5 2 3 4 5 2 3 4 5 2 3 4 5

Abertura de escape en m² 0.25 0.2 0.15 0.6 0.5 0.4 0.3 0.9 0.7 0.6 0.5 1.2 0.9 0.8 0.7

Flujo de aire Diferencia en la Abertura de en m³/h altura en m escape en m² 2,500

3,000

3,500

4,000

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2 3 4 5 2 3 4 5 2 3 4 5 2 3 4 5

1.4 1.2 1.2 0.9 1.7 1.4 1.2 1.1 2 1.7 1.4 1.3 2.3 1.9 1.7 1.5 25

9. Planificando una Estación de Compresores Ventilación Forzada La ventilación mas común para sala de compresores es la ventilación forzada en la que el flujo de aire es controlado. Este tipo de ventilación controlada es recomendada para prevenir temperaturas inferiores a +3 °C en la sala en periodos de invierno, lo que podría afectar negativamente el funcionamiento del compresor, de los desagües de condensados y las unidades de tratamiento. El control de f lujo es necesario, como se crea un vacío en la habitación y el aire que e s llevado fuera, no se debe permitir que el flujo de calor ingrese nuevamente en la habitación. Ventilación forzada permite un gr adiente de t emperatura más baja, de manera que u na mayor reserva en condiciones de alta temperatura exterior sea obtenida. Gradiente de temperatura desde el exterior hacia el interior = 10 K . En cuanto al cálculo, se aplican las mismas condiciones que para la ventilación natural. El tamaño de la abertura de entrada es mostrada en la figura 9-9. Es preferible asumir un flujo de aire de enf riamiento Czu = 3 m/s a t ravés de l a abertura de entrada de aire. Sin embargo, si es necesario 5 m/s es debido a los problemas de construcción, entonces esto se debe tener en cuenta a la hora de calcular el flujo necesario un extractor. Para aberturas simples de difícil realización, se puede tomar 10 mm (98 Pa). Flujo del aire en m³/h

Ejemplo de calculo Tamaño sala: 100 m³ Altura de la sala: 3m Potencia compressor (motor):22 kW

500

Pared de concreto liviano Caudal requerido: 9-10, p. 27)

6,500 m³/h (de tabla

Apertura de entreda: 0.6 m² (promediada de 9-9 a 3 m/s flujo de entrada).

1,000 2,000 3,000 4,000 5,000 10,000 15,000 20,000 25,000 30,000 35,000 40,000 45,000 50,000

Apertura de entrada de czu = 3 m/s m² 0.05 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.9 1.4 1.9 2.3 2.8 3.2 3.7 4.2 4.6

Apertura de entrada de czu = 5 m/s m² 0.03 0.06 0.12 0.17 0.23 0.3 0.6 0.9 1.1 1.4 1.7 2.0 2.2 2.5 2.8

Tab. 9-9: Determinacion de apertura de entrada Estimación aproximada de las necesidades de caudal de aire de refrigeración

Vk =

Q x 3,600 1.2 x Dt

Vk = Flujo de aire de refrigeración [m³/h] Q = Calor a ser extraído en kW (Simplificado para las máquinas enfriadas por aire refrigerado) 3,600 = Factor de conversión segundos/hora 1.2 = Capacidad especifica de calor del aire en [kJ / m³ K] Dt = Aumento de la temperatura del aire de refrigeración en [K] (aprox. valor 5 – 10 K referido a la máxima temperatura exterior esperada en verano). Seminario de Aire Comprimido KAESER

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9. Planificando una Estación de Compresores Tab. 9-10: Flujo de aire de enfriamiento con ventilación forzada Flujo de aire de enfriamiento requerido en m³/h con paredes hechas de:

Tamaño del cuarto en m³

Potencia del compresor (motor) en kW

Concreto B160

Ladrillo

Concreto liviano

25 (2.5 m alto)

5.5 7.5 11 15 18.5 22 30 37 45 55 75 90

1,600 2,200 3,200 4,300 5,500 6,700 9,600 11,900 14,400 18,100 25,100 30,200

1,700 2,300 3,300 4,500 5,800 7,000 10,000 12,300 15,000 18,500 25,500 30,500

1,800 2,400 3,400 4,700 6,000 7,300 10,200 12,500 15,200 18,700 25,700 30,700

50 (2.5 m alto)

5.5 7.5 11 15 18.5 22 30 37 45 55 75 90 110 132

950 1,300 2,300 4,000 5,000 6,100 8,600 10,800 13,400 16,500 22,800 27,600 33,900 40,800

1,050 1,400 2,450 4,250 5,300 6,400 9,000 11,200 13,700 16,900 23,200 28,000 34,300 41,200

1,150 1,500 2,600 4,500 5,600 6,700 9,200 11,400 14,000 17,100 23,400 28,200 34,500 41,500

100 (3 m alto)

5.5 7.5 11 15 18.5 22 30 37 45 55 75 90 110 132

750 1,150 2,000 3,500 4,400 5,500 8,000 10,300 12,800 15,900 22,300 27,000 33,300 40,300

950 1,250 2,200 3,900 4,400 6,100 8,600 10,800 13,400 16,500 22,850 27,600 34,000 40,800

1,050 1,350 2,400 4,300 5,400 6,500 9,000 11,200 13,800 16,900 23,200 28,000 34,300 41,300

200 (4 m alto)

5.5 7.5 11 15 18.5 22 30 37 45 55 75 90 110 132

700 950 1,600 2,900 3,600 4,600 7,200 9,400 12,000 15,100 21,400 26,200 32,500 39,500

850 1,100 2,000 3,500 4,500 5,600 8,100 10,300 12,900 16,000 22,300 27,100 33,500 40,300

950 1,300 2,250 3,900 5,100 6,200 8,800 11,000 13,500 16,700 23,000 27,700 34,100 41,000

500 (5 m alto)

5.5 7.5 11 15 18.5 22 30 37 45 55 75 90 110 132

250 350 600 1,100 1,300 2,400 4,900 7,100 9,600 12,800 19,900 23,900 30,200 37,200

600 800 1,400 2,500 3,100 4,200 6,700 8,900 11,500 14,600 20,900 25,600 32,000 39,000

900 1,100 1,900 3,400 4,300 5,500 8,000 10,200 12,800 15,900 22,200 27,000 33,300 40,200

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9. Planificando una Estación de Compresores Sin ductos de ventilación Compresores con motor por debajo de 5,5 kW de potencia por lo general no necesitan más de la ventilación natural (9-29), pero ventilación forzada por medio de un ventilador extractor (9-30) se recomienda para máquinas superiores.

Fig. 9-29: Ventilacion Natural

Fig. 9-30: Ventilacion forzada

Ventilación con Ducto Todos los compresores, incluyendo máquinas de refrigeración por agua, necesitan un volumen suficiente de aire de refrigeración a fin de no afectar su funcionamiento o acortar su vida operacional. El ventilador de enfriamiento de las máquinas enfriadas por aire sólo está diseñado para superar una cierta resistencia del aire en l a entrada y salida de la maquina. Ésta es especificada por el fabricante y no debe superarse, ya sea en la entrada o salida. La instalación de cualquier elemento en el flujo de aire que modifique su dirección, como curvas y T o filtros aumenta la resistencia al flujo de aire. La dimensión de cualquier sección transversal a t ravés del cual fluye el aire, influye en la velocidad de la corriente y su resistencia. Tip: Los ductos deben ser lo más breve posible. La velocidad del flujo se debe elegir lo más bajo posible. El dimensionamiento de ductos siempre debe tener un margen amplio

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9. Planificando una Estación de Compresores

Ductos de extracción con control direccional Es recomendada la instalación de ductos de extracción de aire para equipos mayores de 11 kW. Estos ductos están conectados directamente a la salida del aire caliente del compresor. Los cuales incluyen una compuerta que puede mandar el aire caliente de vuelta a la sala de compresores si hay temperaturas bajas en invierno o extraer el aire caliente en el verano con altas temperaturas. Son necesarios calefactores auxiliares para bajas temperaturas ambiente, para mantener la temperatura en la sala sobre los 3°C mientras el compresor se encuentra detenido. Invierno

Verano

Fig. 9-31: Ductos de extracción con control di i l

Ejemplo de un sistema ideal de ventilación Aire caliente esta diregido directamente a la apertura E en el verano y en el invierno el calor del compresor esta dirigido a la bodega y de vuelta por la apertura D a la sala de compresores. Verano

E

Invierno p.e. a la bodega C

B

D

A

Fig. 9-32: Air ducted outside in summer and to heat warehouse in winter

A, B, C, D = Compuertas controladas termostaticamente A, E =Aperturas protegidas. Seminario de Aire Comprimido KAESER

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9. Planificando una Estación de Compresores

Valores recomendados de ventilación para compresores enfriados por aire La tabla abajo nos da las dimensiones de la apertura de extracción por ventilación natural y de los dimensiones de los ductos de la ventilación forzada dependiendo de la potencia del motor compresor. Valores exactos se puede obtener de la especificación en los datos técnicos de los compresores. Potencia del Apertura Apertura Capacidad de de Motor de Ventilador 1) Compresor Entrada Salida requerida2) [kW] 2.2 3 4 5.5 7.5 11 15 18.5 22 25 30 37 45 55 75 90 110 132 160 200 250

[m²]

[m²]

4.2

-

[m³/h] 1,000 1,300 1,500 2,000 2,500 4,000 5,000 6,500 7,500 9,000 10,000 11,000 13,500 20,000 24,000 30,000 34,000 41,000 41,000 60,000

0.1

0.4

0.2

0.9

5.2

-

75,000

0.3 0.35 0.5 0.5 0.6 0.7 0.8 1.0 1.4 1.7 2.2 2.4 3.0

1.5

Ducto de Extracción An. x Al.

Diferencial de Presión permitible en el ducto.

Volumen de Aire caliente utilizable

[mm]

[Pa] 40 20 20 30 20 30 30 60 60 60 60 60 60 80 60 60 150 150 80 100

[m³/h] 1,100 1,500 1,500 1,500 1,500 2,500 2,700 3,800 3,800 4,500 5,400 8,000 8,000 9,400 10,700 13,000 14,000 21,000 21,000 27,000

80

34,000

150x350 200x355 350x600 650x650 650x650

700x700 1,000x1,000 975x975 1,200x1,200

Tab. 9-11: Datos de ventilación para compresores enfriados por aire 1) 2)

ventilación natural, apertura de entrada y salidadel mismo tamaño ventilación forzada, static thrust 10 mm WS (98 Pa)

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9. Planificando una Estación de Compresores

9.4.4 Ejemplos de dibujos de una estación de aire comprimido Ejemplo 1

Ejemplo 1

Fig. 9-33: diagrama P&I ejemplo 1

Fig. 9-34: Dibujo ejemplo 1 Seminario de Aire Comprimido KAESER

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9. Planificando una Estación de Compresores

Fig. 9-35: Dibujo 3D, ejemplo 1

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9. Planificando una Estación de Compresores Ejemplo 2

Fig. 9-36: P+I del ejemplo 2

Fig. 9-37: Plano de planta ejemplo 2 Seminario de Aire Comprimido KAESER

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9. Planificando una sala de compresores

Fig. 9-38: Ilustración 3D del Ejemplo 2

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9. Planificando una sala de compresores Ejemplo 3

Fig. 9-39: Diagrama P+I del Ejemplo 3

Fig. 9-40: Disposición Ejemplo 3

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9. Planificando una sala de compresores

Fig. 9-41: Ilustración 3D del ejemplo 3

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9. Planificando una sala de compresores Ejemplo 4 Línea de control

Tubería colectora del aire comprimido DN 100

A la red de trabajo

Aceite

Línea de condensados

Agua

1 2 3 4 5 6 7

Compresor de tornillo CSD Compresor de tornillo BSD Manguera Separador ciclónico Llave de bola Depósito Secador frigorífico

8 9 10 11 12 13 14

Microfiltro de carbón activo filtro FFG con Monitor Purgador electrónico automático ECO-Drain Unidad de tratamiento de condensados Aquamat. Controlador general Sigma Air Manager Transductor de presión para el SAM Unidad mantenedora de presión Monitor

Fig. 9-42: Diagrama P+I del ejemplo 4

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9. Planificando una sala de compresores Ejemplo 4

Fig. 9-43: Disposición Ejemplo 4

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9. Planificando una sala de compresores

Fig. 9-44: Ilustración 3D del Ejemplo 4

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9. Planificando una sala de compresores

9.5 SIGMA AIR UTILITY Decisión: ¿Instalar su propia estación de aire comprimido o simplemente comprar el aire que necesita? El precio del Kilovatio-hora de la energía consumida, cada metro cúbico de agua y cada kilómetro que los bienes y materiales son transportados son factores fundamentales que repercuten en los costos de funcionamiento. En el caso del aire comprimido, una de las fuentes de energía más importantes de la industria, solo uno de cada diez responsables es capaz de constatar el precio de cada metro cúbico de aire. Este no es un hecho sorprendente, ya que el costo del aire comprimido en estaciones propias depende mucho de las circunstancias y suele ser muy difícil de calcular. Sin embargo, si el aire comprimido es suministrado como una utilidad, en el producto ofrecido por Kaeser con el nombre Sigma Air Utility, los costos se ven con una mayor claridad, así como las ventajas.

Fig. 9-45: Utilidades

Los usuarios que rechazan la idea de adquirir un sistema de aire comprimido en favor de la compra de la cantidad y calidad del aire comprimido que necesitan, mejoran considerablemente la transparencia de s us costos de operación; en l ugar de complicados proyectos de costos, al cliente se le presenta un contrato, con un precio fijado en un plazo largo por el metro cúbico, lo que supone una base fiable a la hora del cálculo de costes dentro de la empresa. El precio base es fijado para la duración del contrato y cubre los costos de operación y la aceptación de un caudal de aire comprimido. También se refleja en el contrato el precio en c aso de exceso de consumo. Precisos aparatos de medición garantizan que solo se factura el aire que es utilizado por la red. El usuario tiene que proporcionar una sala en la que pueda ubicar el sistema de aire comprimido y el suministro eléctrico, pero los detalles del sistema, desde el cálculo de las necesidades, planificación, diseño e instalación, corren de la cuenta de los expertos del fabricante

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9. Planificando una sala de compresores Así como la oferta de transparencia en el cálculo de costos el concepto de aire como utilidad también acarrea un factor de disminución del coste unitario. Como el sistema de aire comprimido es controlado y mantenido por Kaeser la iniciativa es la de a segurar que l a instalación se ajuste lo más posible a la demanda incluyendo los equipos más económicos y los recursos de mantenimiento más avanzados. Por ejemplo, todos los Sigma Air Utility están conectados vía Teleservice (Tele-mantenimiento) con el Kaeser Service Centre (centro de mantenimiento Kaeser); esto asegura la máxima eficiencia y disponibilidad utilizando la más avanzada tecnología en ahorros energéticos, diagnosis remota de costos efectivos y mantenimiento preventivo englobado en un solo paquete. El cliente también goza de los beneficios de la eliminación de los costes de inversión y de personal mejorando de este modo la liquidez y libreando recursos para concentrarse en el núcleo del negocio y generar beneficios. Ventajas del Sigma Air Utility: Incremento de la flexibilidad y disponibilidad de aire comprimido, Transparencia en los costos, Costes asociados al aire comprimido más bajos, Sin inversión, No necesita personal de mantenimiento.

Fig. 9-46: Precio fijo por el aire comprimido

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10.

Anexos y Normas de Seguridad

10.1

Símbolos gráficos

10.2

Símbolos del Diagrama P + I

10.3

La marca CE

10.4

Normas Generales de Seguridad

10.5

Lista de normas

10.5.1 10.5.2 10.5.3 10.5.4 10.5.5

Estándares Directivas Recomendaciones (Pneurop) Normas Asociaciones

10.6

Estaciones Compresoras que cumplen con la Directiva de Equipos a Presión 97/23/EC

10.7

Decreto sobre Salud y Seguridad Industrial

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10. Anexos y Normas de Seguridad 10.1 Símbolos gráficos Extracto de la norma ISO 1219 Conversión de energía

Compresor

Bomba de vacío

Motor neumático de un solo sentido de giro

Motor neumático de dos sentidos de giro

Motor oscilante neumático

Cilindro de simple efecto con retorno por fuerza externa

Cilindro de simple efecto con retorno por fuelle

Cilindro de doble efecto

Cilindro de doble efecto con doble vástago

Cilindro diferencial

Cilindro de doble efecto con muelle simple fijo

Cilindro de doble efecto con doble muelle ajustable

Cilindro multiposicional, p. ej. 3 posiciones

Cilindro telescópico de doble efecto

Intensificador de presión (transformador)

Control y regulación de la energía

Válvula de control direccional de 2 vías, 2 posiciones, cerrada

Válvula de control direccional de 2 vías, 2 posiciones, en posición de paso de flujo

Válvula de control direccional de 3 vías, 2 posiciones, cerrada

Válvula de control direccional de 3 vías, 2 posiciones, en posición de paso de flujo

Válvula de control direccional de 3 vías, 2 posiciones, con centro cerrado

Válvula de control direccional de 4 vías, 2 posiciones

Válvula de control direccional de 4 vías, 3 posiciones, con centro cerrado

Válvula de control direccional de 5 vías, 2 posiciones

Válvula de control direccional de 4 vías, 3 posiciones, con línea de funcionamiento con centro ventilado

Válvula de control direccional de 5 vías, 3 posiciones, con centro cerrado

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10. Anexos y Normas de Seguridad

Válvula de retención, automática

Válvula de retención accionada por muelle

Válvula de retención pilotada

Válvula de retención doble

Válvula de retención, de escape rápido

Válvula de control de flujo fijo

Válvula de control de flujo variable

Válvula de control de flujo, válvula de retención de mariposa

Válvula de presión, válvula de retención de diafragma

Válvula de presión, válvula de admisión con ajuste manual

Válvula de presión, válvula de admisión ajustable mecánicamente que trabaja contra la carga del muelle.

Válvula de presión, válvula de alivio de presión ajustable con mando pilotado

Válvula de presión, válvula de alivio de presión ajustable con escape

Válvula de presión, regulador de presión ajustable sin puerto de alivio

Válvula de presión, regulador de presión ajustable con puerto de alivio

Transmisión de energía

Fuente de presión

Línea de funcionamiento

Línea de pilotaje

Línea de drenaje, purga o ventilación

Tubo flexible

Conductor eléctrico

Unión de conductos (fija)

Cruzamiento de conductos (no conectado)

Purga de aire

Orificio de escape no provisto para conexión

Orificio de escape roscado para conexión

Punto de despegue propulsado (conectado)

Punto de despegue propulsado (sin línea de despegue)

Acoplamiento rápido (conectado)

Acoplamiento rápido con válvulas de retención automáticas (conectado)

Acoplamiento rápido (desacoplado con extremo cerrado)

Acoplamiento rápido (desacoplado con extremo abierto)

Unión giratoria de una vía

Unión giratoria de dos vías

Silenciador

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10. Anexos y Normas de Seguridad

Depósito de aire

Filtro o depurador

Trampa de agua con drenaje manual

Trampa de agua con drenaje automático

Secador por chorro de aire

Lubricador

Unidad de acondicionado (símbolo simplificado)

Enfriador

Dispositivo de bloqueo (* = símbolo de control de desbloqueo)

Filtro con drenaje automático

Mecanismos de control

Eje rotativo, en una dirección

Eje rotativo, en varias direcciones

Bloqueador

Dispositivo de rotación simple

Dispositivo de rotación con palanca transversal

Dispositivo de rotación con punto de apoyo fijo

Dispositivo de centrado (evita que el mecanismo se detenga en el centro)

Métodos de control

Control manual (símbolo general)

por botón

por palanca

por pedal

Control mecánico por pistón

por muelle

por rodillo

por rodillo en un único sentido

Control eléctrico, por solenoide con un bobinado

por solenoide con dos bobinados que funcionan en sentido contrario

por motor eléctrico

por motor eléctrico paso a paso

Control de acción directa, por aplicación de presión

por alivio de presión

Control indirecto, servopilotado, por aplicación de presión

por alivio de presión

Control de presión con presión de centrado

Control de presión con muelle de centrado

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por presión diferencial

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10. Anexos y Normas de Seguridad

Control combinado por solenoide y válvula direccional pilotada

por solenoide o válvula direccional

Control especial, por presión aplicada desde un amplificador

Control especial por presión aplicada mediante la creación de características de conmutación

por solenoide o muelle de recuperación accionado manualmente

Control combinado, símbolo general (* = símbolo explicativo)

Dispositivos auxiliares

Manómetro

Manómetro diferencial

Indicador de temperatura

Caudalímetro

Presostato

Sensor de presión

Sensor de temperatura

Sensor de flujo

Tobera receptora para cámara de aire

Tubo de Pitot

Caudalímetro integrado (volumen)

Símbolos especiales

Sensor de proximidad de fluidos

Tobera transmisora para cámara de aire

Abreviaturas utilizadas para las conexiones: A, B, C: líneas de funcionamiento P: conexiones de presión R, S, T: drenajes, escapes, purgas, ventilaciones X, Y, Z: líneas de control

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10. Anexos y Normas de Seguridad

10.2 Símbolos del diagrama P + I Compresor de tornillo

Compresor de pistón

Tubería flexible

Válvula principal de carga de aire

Separador ciclónico

Controlador

Válvula de bola

Drenaje del condensado (símbolo general)

Drenaje del condensado

Compensador axial

Microfiltro con indicador diferencial de presión electrónico

Válvula de retención de mariposa

Microfiltro con indicador diferencial de presión

Separador de aceite y agua

Filtro estéril

Intercambiador de calor

Adsorbedor de carbón activado

Caudalímetro

Secador de membrana con prefiltro

Secador refrigerativo

Secador desecante

Línea de aire comprimido

Depósito de aire

Línea de condensado

Válvula de alivio de presión

Red eléctrica

Brida de prueba

Manómetro de aire comprimido

Presostato

Sensor de presión

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10. Anexos y Normas de Seguridad

10.3 La marca CE CE = Comunidad Europea Los productos que tengan esta marca cumplen con los requisitos de las Directivas de la Unión Europea. Vigente a partir del primero de enero de 2005. Aplicación La marca se puede aplicar a todas las maquinarias sujetas a las Normas Europeas (artículo 1, 97/37/EC) que se introduzcan o utilicen en el mercado de la Unión Europea. Utilización de acuerdo con el manual de servicio Se deben seguir las instrucciones del manual de servicio para aplicar y utilizar el producto de manera segura (98/37/EEC, anexo I, sección 1.7.4. Manual de servicio). El idioma del manual de servicio debe ser el del país donde se va a utilizar el producto. Dicho manual debe contener las instrucciones sobre la puesta en marcha, el mantenimiento, las inspecciones, las revisiones de las funciones y las reparaciones, si fuera necesario. Aplicación de la marca La marca CE debe estar visible y ser indeleble según la Directiva sobre maquinarias 98/37/EC, anexo 1, número 1.7.3.

10.4 Normas generales de seguridad Siempre se debe garantizar una refrigeración adecuada. Se debe cumplir con los requisitos de instalación del fabricante. No se debe utilizar la maquinaria si hay concentraciones de gas peligrosas, como venenosas o explosivas, si hay polvo u otras sustancias perjudiciales o si el equipo produce llamas o chispas. Se debe cumplir con los requisitos de operación, mantenimiento y servicio del fabricante. Además, cualquier trabajo con la maquinaria debe llevarlo a cabo el personal capacitado y calificado. Medidas de prevención contra incendios Se recomienda que las máquinas superiores a 40 kW o las máquinas múltiples se coloquen en una sala de compresores especial. El piso, las paredes, el techo y las aberturas de ese lugar deben ser ignífugas, al menos de clase F30. No se deben instalar materiales combustibles, como cables eléctricos, debajo del compresor. Se deben reparar las fugas de combustible. No se deben colocar materiales inflamables a menos de tres metros del compresor. El conducto de escape del sistema de aire refrigerante que se utiliza para proporcionar aire caliente para el calentamiento de espacios debe estar recubierto con una solapa protectora contra incendios automática (DIN 4102, parte 6).

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10. Anexos y Normas de Seguridad

10.5 Lista de Normas 10.5.1 Estándares Normas europeas EN 1012

Requisitos de seguridad para compresores y bombas de vacío

EN 12076

Medición de la emisión de ruidos de los compresores

EN 286 -1

Recipientes a presión simples calentados a fuego diseñados para almacenar aire o nitrógeno. Parte 1: diseño, fabricación y prueba

EN 292

Seguridad de la maquinaria: conceptos básicos, principios generales de diseño. Parte 1: terminología y metodología básica Parte 2: principios y especificaciones técnicos

EN 294

Seguridad de la maquinaria: distancias de seguridad para evitar que las extremidades superiores estén en contacto con zonas peligrosas

EN 349

Seguridad de la maquinaria: distancias mínimas para evitar que se lastimen las extremidades del cuerpo humano

EN 378

Requisitos de seguridad y ambientales para los sistemas de refrigeración y bombas de calor.

EN 418

Seguridad de la maquinaria: equipo de detención de emergencia, aspectos funcionales; principios de diseño

EN 563

Seguridad de la maquinaria: temperaturas de las superficies accesibles, especificaciones ergonómicas para la determinación de los límites de temperatura de las superficies calientes

EN 626

Seguridad de la maquinaria: principios para que los fabricantes de maquinarias reduzcan los riesgos para la salud provocado por las sustancias peligrosas que emanan de las máquinas

EN 837 -1

Manómetros. Parte 1: Manómetros de Bourdon, dimensiones, técnicas de medición, requisitos y pruebas

EN 1127

Seguridad de la maquinaria: fuego y explosión. Parte 1: prevención y protección contra explosivos

EN 31688

Práctica recomendada en diseño. Maquinaria de bajo ruido

EN 50014

Componentes eléctricos para atmósferas potencialmente explosivas, reglas generales

EN 50082 -2

Compatibilidad electromagnética, inmunidad genérica. Parte 2: entorno industrial

EN 50099 -1

Seguridad de la maquinaria: principios básicos de los indicadores, controles (ajuste) e identificación. Parte 1: señales visuales, auditivas y táctiles

ENV 1070

Seguridad de la maquinaria: terminología

EN 953

Seguridad de la maquinaria: requisitos generales de diseño y construcción de dispositivos de aislamiento

EN 60204 -1

Seguridad de la maquinaria: equipo eléctrico de las maquinarias. Parte 1: requisitos generales.

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10. Anexos y Normas de Seguridad

Normas internacionales ISO 1217:1999 Pruebas de aceptación para compresores de desplazamiento positivo anexo B: libre entrega de aire en la unidad de aire anexo C: libre entrega de aire de toda la máquina ISO 7183

Secadores de aire comprimido: especificación y medición

ISO 8573

Utilización general del aire comprimido (clases de contaminación y calidad)

ISO 3266

Pernos de argolla para levantamientos generales intencionados

ISO 3457

Maquinaria para movimientos de tierra: dispositivos de seguridad y cubierta protectora, definiciones y especificaciones

ISO 3864

Colores y signos de seguridad

ISO 3857

Compresores, herramientas neumáticas y máquinas: vocabulario. Parte 1: general. Parte 2: compresores

ISO 4126

Válvulas de alivio de presión. Parte 1: requisitos generales

ISO 6743-3

Lubricantes, aceites industriales y productos relacionados (clase L), clasificación parte 3A: familia D (compresores) parte 3B: familia D (compresores de gas y de refrigerante)

ISO 7000

Símbolos gráficos para la utilización en equipos, índices y sinopsis

IEC 417

Símbolos gráficos para la utilización en equipos, lista de términos, esquema y resumen de hojas individuales

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10. Anexos y Normas de Seguridad

Normas nacionales alemanas DIN 1945

Pruebas de aceptación para compresores de desplazamiento positivo

DIN 1952

Normas de medición del flujo

DIN 45635

Medición del ruido

DIN 2481

Planta de generación térmica

DIN 43903

Humedad del aire comprimido

DIN 51506

Aceites lubricantes para compresores

DIN 3188

Aire comprimido para aparato de respiración

DIN 13260

Sistema de abastecimiento de gases medicinales

DIN 43668

Llaves para celdas o puertas de gabinetes de equipos eléctricos

DIN 2403

Identificación de tubos de aire comprimido

VDE 0100

Reglamentación para la construcción de centrales de energía con tensiones nominales superiores a los 1.000 voltios.

VDE 0105

Normas para la operación de una central eléctrica

10.5.2

Instrucciones

VDI 2040/41

Normas básicas para las mediciones de flujos

VDI 2045

Pruebas de aceptación y funcionamiento

VDMA 4362

Definición de la entrega (caudal de volumen) de compresores de pistón pequeños de hasta 2 m³/min.

VDMA

Recomendación para la calidad del aire comprimido en la industria alimenticia, clases generales

97/23/EG

Directiva sobre equipos a presión

89/392/EEC

Directiva sobre maquinaria Anexo II A: declaración de conformidad Anexo II B: declaración del fabricante

73/23/EWG

Directiva sobre baja tensión

84/404/EWG

Directiva para recipientes a presión simples calentados a fuego

89/336/EWG

Directiva para compatibilidad electromagnética

84/533/EWG

Niveles sonoros permitidos para los compresores accionados por motores de combustión interna

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10. Anexos y Normas de Seguridad

10.5.3

Recomendaciones (Pneurop)

PN 8 NT C 2.3

Medición de la emisión de ruidos de los compresores y bombas de vacío.

10.5.4

Normas

BGV A3

Normas de seguridad de las asociaciones comerciales de dispositivos eléctricos y materiales de trabajo.

BGR 500

Utilización de materiales de trabajo, parte 2.11, compresores y bombas de vacío.

VBG 20

Sistemas de refrigeración, bombas de calor y sistemas de enfriamiento.

BSV

Decreto sobre la seguridad operacional.

TRB

Normas técnicas para recipientes a presión (producto de más de 1.000 presión/volumen y tanques especiales)

GSG(V)

Leyes y decretos sobre la seguridad de los dispositivos.

BlmSchV

Regulaciones de las leyes federales de protección contra emisiones.

WHG

Normas del organismo de obras hidráulicas

10.5.5

Asociaciones

PNEUROP

Comité Europeo de Fabricantes de Compresores, Bombas de Vacío y Herramientas Neumáticas (European Commitee of Manufacturers of Compressors, Vacuum Pumps and Pneumatic Tools)

CAGI

Instituto de Gas y Aire Comprimido de los Estados Unidos (Compressed Air and Gas Institute USA)

VDMA

Federación Alemana de Ingeniería (German Engineering Federation)

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10. Anexos y Normas de Seguridad

10.6 Estaciones compresoras que cumplen con la Directiva de Equipos a Presión 97/23/EC ¿Qué es lo que reglamenta la directiva? La DEP (Directiva de Equipos a Presión) reglamenta la introducción en el mercado de equipos a presión y ha estado en vigencia desde el 29/05/2002. La nueva DEP se aplica a dispositivos que poseen una presión operativa máxima admisible mayor que 0,5 bar. Los elementos de un equipo a presión incluyen receptores de aire, tuberías, componentes con funciones de seguridad, accesorios de presión y compresores que están contemplados por la aplicación de la DEP. En los casos en que se apliquen los “fundamentos para la exclusión”, los dispositivos no estarán cubiertos por la DEP sino por la Directiva de Máquinas o las Reglamentaciones para Depósitos de Presión. La directiva solamente determina requisitos de calidad y composición para equipos a presión; los requisitos operativos están cubiertos por las reglamentaciones de cada país. Los productos KAESER que no están cubiertos por la DEP serán entregados junto con la Declaración del Fabricante relativa a la aplicación de la DEP y la Declaración de Conformidad CE según lo estipulado por la Directiva de Máquinas EC 98/37/EC, anexo II B. Los productos KAESER para los cuales sí se aplica la DEP serán entregados junto con la Declaración de Conformidad CE según lo estipulado por la DEP y la Directiva de máquinas. Se considera que la estación compresora es un montaje contemplado por la DEP cuando lleva por lo menos dos componentes que se clasifican como equipo de presión de categoría 1 y que se conectan de tal manera que forman una unidad de funcionamiento. Cuando un sistema de suministro de aire constituye un montaje de ese tipo (contemplado por la DEP), el fabricante debe emitir una Declaración de Conformidad CE. El fabricante es la entidad que conectó los componentes para formar el montaje. Según esta definición, al comerciante que instala componentes para formar un sistema se lo conoce como fabricante. ¡Atención! Esto no se aplica a un usuario que instala componentes él mismo para formar su propio sistema. Los usuarios que realizan sus propios montajes no son fabricantes según lo estipulado por la DEP, por lo tanto no se aplica. (Hacer un montaje o instalar significa conectar componentes para formar una unidad de funcionamiento) Los siguientes son factores de especial consideración en el momento de planear un sistema de aire: Presión máxima posible. Equipo de presión y categoría. ¿Se incluyen más de dos equipos de presión? Si es así, se considera que el sistema es un montaje contemplado por la DEP y debe tener certificado CE.

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10. Anexos y Reglamentaciones de Seguridad

10.7 Ordenanza sobre Seguridad y Salud Industrial La ordenanza se aplica a todos los depósitos de presión que entraron en funcionamiento desde el 01.01.03. La ordenanza (BSV) reemplaza a la Ordenanza para Depósitos de Presión. Alcance de validez: comisión, operación e inspecciones reiteradas. El usuario debe llevar a cabo una evaluación de riesgos y una evaluación de reglamentaciones de seguridad de sus depósitos de presión. Antecedentes: BSV es parte de la Ley de Protección en el Trabajo. Procedimiento práctico: el usuario deposita la responsabilidad en su funcionario de seguridad, quien conoce la Ley de Protección en el Trabajo. El funcionario de seguridad realiza un cuadro (ver anexo, página 4) en la cual se incluyen el tanque separador de aceite y el receptor de aire junto con una sugerencia de inspecciones reiteradas. Se obtiene información de los documentos (declaración de conformidad, instrucciones operativas) que acompañan a estos depósitos (calidad documentada). Los máximos intervalos son: inspección interna cada 5 años e inspección de resistencia cada 10 años. Son de decisiva importancia los niveles de seguridad con los cuales se fabricaron los depósitos y la magnitud de las influencias operativas (condiciones, instalación, etc.). Según el producto de la presión y el volumen, el usuario debe contratar una entidad aprobada o una persona calificada que lleve a cabo la inspección de comisión y que determine los intervalos de inspecciones reiteradas. Quién puede hacer cada cosa: Antes de comisionar: PS x V £ 200 – persona calificada (con antelación, un técnico especialista). PS x V > 200 – entidad autorizada (ej. TÜV) con la excepción de los depósitos de presión con aceptación ZUA (listos para usar equipo). PS x V £ 1000 – no hay inspección de comisión (ver excepciones en 3.) Inspecciones reiteradas: PS x V £ 1000 – persona calificada PS x V > 1000 – entidad autorizada El espectro de BSV no abarca las líneas de aire comprimido. El usuario debe registrar los depósitos de alta presión con la autoridad responsable dentro de los 6 meses pasada la comisión. Hay formularios para este propósito.

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10. Anexos y Reglamentaciones de Seguridad Los intervalos máximos de 5 años para la inspección interna y 10 años para la inspección de resistencia sólo se aplican si los niveles de seguridad para el diseño del depósito, la fabricación y la realización de pruebas son equivalentes a las reglamentaciones alemanas AD 2000. Se debe confirmar este nivel de calidad mediante la documentación del depósito. Los proveedores de Kaeser están sujetos a estas normas de calidad y, por lo tanto, los depósitos de presión de Kaeser pueden ser sometidos a intervalos máximos de inspección, siempre y cuando las circunstancias de operación no exijan que se acorten.

Inspección de Depósitos de Presión según la Ordenanza sobre Seguridad y Salud Industrial Inspección previa a la comisión §14 1.

Equipo de presión según el diagrama 2: - Entidad supervisora aprobada PS > 1 bar: Cat. II, III Cat. IV - Persona capacitada Cat. I PS < 1 bar: Cat. II, III

2.

Depósitos de presión simples según 87/404/EEC - Entidad supervisora aprobada PS x V > 200 bar x l - Persona capacitada PS x V £ 200 bar x l - Sin inspección previa a la comisión PS x V £ 50 bar x l PS = presión máxima admisible

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10. Anexos y Reglamentaciones de Seguridad

3. Excepción - Persona capacitada PS x V < 1000 bar x l, si el compresor es aprobado por tipo (número de ZUA) - No es necesaria la inspección previa a la comisión en el caso de los compresores portátiles aprobados por tipo para los cuales no se aplican requerimientos especiales.

Inspección reiterada §15 1.

Determinación de los intervalos de inspección

Dentro de los 6 meses de la inspección de comisión, el usuario debe informar a la autoridad supervisora comercial acerca del intervalo de inspección que ha sido confirmado por la entidad supervisora aprobada junto con datos específicos del equipo. - El usuario determina el intervalo de inspección en base a una evaluación de seguridad respaldada por la documentación provista por el fabricante. - Los intervalos máximos de inspección son de 5 años para la inspección interna y de 10 años para la inspección de resistencia. 2.

Equipo de presión según el diagrama 2:

- Entidad supervisora aprobada - PS > 1 bar: Cat. III - Cat. IV - Persona capacitada - Cat. I, II - PS £ 1 bar: Cat. III PS = presión máxima admisible

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10. Anexos y Reglamentaciones de Seguridad

3. Depósitos de presión simples según 87 /404 /EWG - Punto de monitoreo autorizado PS x V > 1000 bar x l - Persona capacitada PS x V < 1000 bar x l

Diagrama 2

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10. Anexos y Regulaciones de Seguridad

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