Generación y distribución de aire comprimido

Universidad Tecnoló gica Nacional
Facultad Regional La Plata
Cá tedra: Instalaciones Industriales
GENERACIÓ N Y DISTRIBUCIÓ N DE
AIRE COMPRIMIDO
Profesores:
Ing. Benito Anibal Sanchez
Ing. Carlos A. Simonetti
Alumnos:
Juan Andrés Barcenilla
Leonardo Héctor Bustamante
Martín Antonio Caccavale
Pablo Federico Cosentino
2000.-
INSTALACIONES INDUSTRIALES
TABLA DE CONTENIDO
TABLA DE CONTENIDO
INTRODUCCIÓ
N ................................................................................................. 5
Definició n y propiedades del aire ................................ ................................ ...... 6
Composició n del aire seco .............................................................................................6
Constantes físicas del aire má s importantes ...............................................................7
Causas que justifican el uso del aire comprimido ................................ ........... 8
Presió n absoluta y relativa................................ ................................ ................. 8
Aire en condiciones normales de presió n y temperatura CNPT ..................... 9
Aire presente en la atmó sfera................................ ................................ .......... 10
Aire comprimido ................................ ................................ ............................... 10
Humedad ................................ ................................ ................................ ........... 11
Humedad absoluta ........................................................................................................11
Humedad de saturació n................................................................................................11
Humedad relativa...........................................................................................................13
Punto de rocío ...............................................................................................................13
GENERACIÓ
N DE
AIRE COMPRIMIDO ................................................................. 16
Clasificació n de los compresores ................................ ................................ ... 17
Compresores Alternativos ................................ ................................ ............... 17
Compresores a pistó n...................................................................................................17
Secuencia de operación ............................................................................................................19
Secuencia de operación ............................................................................................................20
Compresores a membrana ...........................................................................................21
Compresores rotativos................................ ................................ ..................... 22
Compresores a paleta ...................................................................................................22
Compresores a tornillo .................................................................................................23
Compresores Roots ......................................................................................................24
Turbocompresores ................................ ................................ ........................... 26
Compresores radiales...................................................................................................26
Compresores axiales ....................................................................................................27
Regulació n de compresores alternativos ................................ ....................... 28
Sistema de marcha y parada........................................................................................28
Sistema de marcha en vacío ........................................................................................29
Rendimiento volumétrico del compresor................................ ........................ 29
Rangos De Utilizació n ................................ ................................ ...................... 30
Pá gina 2
INSTALACIONES INDUSTRIALES
TABLA DE CONTENIDO
Depó sito de aire comprimido................................ ................................ ........... 30
Determinació n de la capacidad de los compresores ................................ ..... 33
TRATAMIENTO DE AIRE.................................................................................... 35
Tratamiento del aire a la salida del compresor................................ ............... 36
Post-enfriadores Aire-Agua..........................................................................................36
Eficacia del Post–enfriador Aire - Agua................................................................................... 39
Elección del Post-enfriador Aire - Agua................................................................................... 39
Instalación del Post-enfriador Aire - Agua...............................................................................39
Post-enfriadores Aire-Aire............................................................................................40
Precauciones generales a tomar para su instalaci ón ............................................................... 42
Tratamiento del aire a la salida del depó sito ................................ .................. 42
Secadores frigoríficos...................................................................................................42
Tratamiento del aire con secador colocado después del depósito............................................44
Tratamiento del aire con secador colocado antes del depósito ................................................45
Secadores por adsorció n .............................................................................................45
Secadores por absorció n .............................................................................................46
Separadores centrífugos ..............................................................................................47
Tratamiento del aire en los puntos de utilizació n................................ ........... 48
Filtros..............................................................................................................................48
Reguladores de presió n................................................................................................51
Lubricadores ..................................................................................................................53
Conjuntos FRL ...............................................................................................................54
Consideraciones sobre los conjuntos FRL ................................................................56
Recomendaciones para el correcto montaje de las unidades de FRL ....................57
DISTRIBUCIÓ
N DE
AIRE .................................................................................... 58
Instalació n típica................................ ................................ ............................... 59
Redes de distribució n ................................ ................................ ...................... 59
Cá lculos de las tuberías ...............................................................................................62
Pérdidas de carga por fricció n en accesorios de tuberías .......................................64
CÁ LCULO DE UNA INSTALACIÓ
N ....................................................................... 65
Cá lculo de los consumos................................ ................................ ................. 66
Herramientas y má quinas neumá ticas........................................................................66
Plano y datos de la instalació n ....................................................................................68
Calculo del consumo de la instalació n .......................................................................68
Cá lculo del tanque pulmó n...........................................................................................69
Pá gina 3
INSTALACIONES INDUSTRIALES
TABLA DE CONTENIDO
Elecció n del equipo secador por refrigeració n ..........................................................70
Cá lculo del diá metro de la tubería principal y secundaria........................................72
Línea principal.......................................................................................................................... 72
Línea secundaria....................................................................................................................... 74
Cá lculo del espesor mínimo de la pared de la cañería..............................................75
Línea principal.......................................................................................................................... 75
Línea secundaria....................................................................................................................... 76
Tratamiento en los puntos de consumo .....................................................................77
Imagen del producto seleccionado............................................................................................ 78
Cá lculo del condensado de la instalació n ..................................................................78
Datos a considerar.................................................................................................................... 78
Cá lculo en los puntos ................................................................................................................79
Tabla de recopilación de los resultados del cá lculo.................................................................86
Observaciones........................................................................................................................... 86
Pá gina 4
INTRODUCCIÓ
N
INSTALACIONES INDUSTRIALES
INTRODUCCIÓ N
Definición y propiedades del aire
Es una mezcla de gases. El aire es un gas incoloro, insípido e inodoro. La masa total de aire en la
atmósfera se calcula en unos 15,17 x 10 17 kg. Algo menos que la milloné sima parte de la masa del
planeta.
Masa de aire
1
≅
Masa total del planeta 1.000.000
Composició n del aire seco
PORCENTAJE EN
PORCENTAJE EN
VOLUMEN
MASA
Nitrógeno
78,09
75,51
Oxígeno
20,95
23,15
Argón
0,93
1,28
Dióxido de carbono
0,03
0,046
Neón
0,0018
0,00125
Helio
0,00052
0,000072
Metano
0,00015
0,000094
Criptón
0,0001
0,00029
Monóxido de carbono
0,00001
0,00002
óxido nitroso
0,00005
0,00008
Hidrógeno
0,00005
0,0000035
Ozono
0,00004
0,000007
Xenón
0,000008
0,000036
Dióxido de nitrógeno
0,0000001
0,0000002
Lodo
1 x 10-10
2 x 10-11
Radón
6 x 10-111
5 x 10-17
COMPONENTE
La composición del aire permanece relativamente constante al menos hasta unos 20 kilómetros de
altura.
Siendo el aire una mezcla y no una combinación química, sus componentes se pueden separar.
Normalmente esta separación se realiza enfriá ndolo hasta -196 0C. A esta temperatura, varios de sus
componentes se separan por destilación fraccionada.
De los componentes que forman el aire, sólo el oxígeno y el nitrógeno son necesarios para la vida.
El oxígeno es necesario en el proceso metabólico, por el que nuestro cuerpo transforma los hidratos de
carbono, las proteínas y la grasa contenidos en los alimentos, en calor y energía. Una persona puede
Pá gina 6
INSTALACIONES INDUSTRIALES
INTRODUCCIÓ N
consumir por té rmino medio, aproximadamente, 740 litros de oxígeno (1 kg de oxígeno) cada veinticuatro
horas.
Siendo el peso del oxígeno consumido aproximadamente igual al peso de los alimentos consumidos
durante el mismo período.
El nitrógeno que respiramos no tiene funciones metabólicas, pero sirve como diluyente inerte y
mantiene el henchimiento de ciertas cavidades de nuestro cuerpo, tales como los alvé olos pulmonares, el
oído medio y las cavidades de los senos.
El aire es una mezcla de gases. Alrededor de diecisé is son los que lo conforman; aunque sólo dos de
ellos ocupan el 99% de su volumen.
Estos dos son, el nitrógeno con un 78% y el oxígeno con un 21 % aproximadamente; el volumen
restante, que ocupa el 1 %, lo comparten los gases nobles y gases producto de mezclas y combinaciones
de estos y otros elementos.
Esta curiosa mezcla que respiramos a diario tiene una serie de propiedades interesantes y en general
podemos decir que conforma un gas real.
El aire pesa 1,2928 gramos por litro a 273 K y a presi ón atmosfé rica.
Tanto su densidad como la velocidad del sonido varían con la temperatura y con la presión.
Es compresible y cumple con aproximación satisfactoriamente aceptable las leyes que estudiá ramos
para los Gases Perfectos. Esta es quizá s una de las propiedades má s importantes pues permitirá manejar
los cambios termodiná micos del aire en situaciones reales.
Hasta aquí nos hemos referido al aire seco pero normalmente en la naturaleza se presenta asociado al
vapor de agua, este último se comporta como un gas má s de la mezcla.
A la cantidad de agua que contiene el aire se la conoce como humedad.
El aire como mencioná ramos al principio, rodea nuestro planeta formando una capa de varios
kilómetros de espesor. Esta capa permanece “ pegada” a la superficie gracias a la gravedad terrestre.
Imaginando la atmósfera como si estuviera constituida por distintas capas, resultaría evidente que,
cada una de ellas descansaría sobre la otra hasta alcanzar la superficie. Sobre ella percibimos el resultado
de aquellas cargas sucesivas que reconocemos como presión atmosfé rica.
Naturalmente nuestro planeta está en constarte evolución sobre si mismo y alrededor del sol, en
consecuencia cabe imaginar una serie de variaciones en el espesor de la capa de aire que se manifiesta
finalmente como una variable de la presión atmosfé rica.
Constantes físicas del aire má s importantes
Peso molecular
Densidad a 15° C y 1 bar
18,06 kg/kmol
1,21 kg/m2
Temp. de ebullición a 1 bar
-191 a –194 °C
Temp. de congelación a 1 bar
-212 a –216 °C
Constante del gas
Presión crítica
Temperatura crítica
286,9 J/K kg
37,8 bar
-140,7 °C
Pá gina 7
INSTALACIONES INDUSTRIALES
INTRODUCCIÓ N
Causas que justifican el uso del aire comprimido
Por su versatilidad y su rapidez de respuesta en el trabajo. Su acción no es tan inmediata como la
elé ctrica, pero si es notablemente má s rá pida que la hidrá ulica.
Hemos de pensar que la neumá tica sé sirve, como materia prima, del aire atmosfé rico que nos
circunda, el cual podemos tomarlo en la cantidad que sea necesario para comprimirlo y transformar su
energía en trabajo. La compresión se hace en una central de compresores que se puede situar en cualquier
punto de la fá brica, pues el aire comprimido es fá cilmente de transportar, aun en largas distancias, por
medio de tuberías, las cuales distribuyen la presión de trabajo uniformemente hacia los puestos de
consumo.
Por ser el aire un fluido compresible, podemos almacenarlo fá cilmente en depósitos, los cuales sirven,
ademá s, para regular la entrada en funcionamiento del compresor y reponer el aire comprimido
consumido, con el ahorro consiguiente de kW/h.
El mantenimiento de las instalaciones de aire comprimido es de poco gasto y puede confiarse a
personas normalmente entrenadas en instalaciones.
Otras características propias del aire comprimido son:
•
El aire no presenta riesgos de chispas ni de cargas electrostá ticas.
•
El escape de aire no es tóxico ni es explosivo.
•
Costos que no son muy superiores a los de otros sistemas de energía; en efecto, 1 m3 de aire
aspirado, comprimido a 6 kg/cm 2 -según condiciones de trabajo-, (Consumo aproximado de
potencia: 5 kW/h para la compresión de 1 m3 de aire a 6 kg/cm2).
•
Tiene gran capacidad de regulación y control.
•
Admite su combinación con otras formas de energía.
•
Los circuitos de aire no está n expuestos a los golpes de ariete como los hidrá ulicos.
•
No implica riesgos graves ni peligro de accidentes.
Presión absoluta y relativa
Considerando que los seres humanos nos hemos desarrollado en un ambiente sometido a la presión de
1 bar, pero sin percibirla, nuestras primeras mediciones tomaron como referencia esta presión.
Este es el motivo por el cual, cualquier valor de presión que sea superior a la atmosfé rica la
conocemos como presión (o sobre presión) y a cualquier valor de presión que este por debajo de la
atmosfé rica la reconocemos como vacío (o depresión).
Según sea la referencia que tomemos para medir la presión, estaremos en presencia de una medida
absoluta o relativa.
Es decir: la presión relativa (o efectiva) es aquella medida de presión que toma como referencia a la
presión atmosfé rica.
La presión absoluta es aquella medida de presión que toma como referencia al cero absoluto de
presión.
En la siguiente ilustración se muestra un esquema indicando las relaciones de las distintas medidas de
presión.
Pá gina 8
INSTALACIONES INDUSTRIALES
INTRODUCCIÓ N
Aire en condiciones normales de presión y temperatura
CNPT
Las cantidades en Nl/min, Nm3/min o Nm3/h que se dan generalmente en los catá logos para el
consumo de aire por las herramientas neumá ticas o equipos, se refieren a aire en condiciones normales
por minuto (aire atmosfé rico a la presión y temperatura normales). Debemos asegurarnos de que el dato
sobre la capacidad del compresor que da el fabricante est é tambié n referido a aire medido en condiciones
normales, al objeto de que exista una correspondencia entre consumo y capacidad. Normalmente, estas
dos especificaciones está n dadas en aire en condiciones normales, y por lo tanto, no hace falta ninguna
conversión. Sin embargo, cuando se trata del consumo de aire de otros equipos, es posible que no se dé en
aire en condiciones normales; entonces deberá recurrirse a la fórmula para la conversión de litros de aire
comprimido a una presión determinada en litros de aire en condiciones normales, y que es:
Q N = Q C ( p + 1,033)
donde:
QN = caudal de aire en condiciones normales [Nm 3/h]
QC = caudal de aire comprimido [m 3/h]
p = presión del aire comprimido en [bar]
Existen diversas denominaciones utilizadas por los fabricantes para indicar la cantidad de aire que
proporciona el compresor, tales como desplazamiento volumé trico, volumen engendrado, etc. Bajo estos
nombres gené ricos se considera un caudal de aire expresado en cifras teóricas, que no responde al
verdadero caudal de aire suministrado por el compresor, mientras que el consumo de los equipos
neumá ticos se da en cifras efectivas.
Es evidente que si adquirimos un compresor basá ndonos en alguna de las citadas especificaciones, nos
encontraremos con que la cantidad de aire realmente suministrada es de un 20 a un 25 % inferior a la
indicada, pues ningún compresor rinde una prestación del 100 %.
Pá gina 9
INSTALACIONES INDUSTRIALES
INTRODUCCIÓ N
Para evitar estas ambigüedades, solamente se deben adquirir compresores que garanticen el caudal de
aire en consonancia con las condiciones de temperatura y presión de la aspiración, es decir, en litros o m3
de aire en condiciones normales.
Como sea que el clima es variable y responde a las características propias de cada lugar, sería
dificultoso establecer unas tablas de consumos que correspondieran a los diferentes estados climá ticos;
por ello, se va imponiendo el establecimiento de una normativa sobre la base de considerar unas
condiciones normales de temperatura y presión del aire aspirado, independientemente de las condiciones
atmosfé ricas en las cuales trabaje el compresor y que sirven de referencia comparativa, aire que
llamaremos «aire normal» o «aire normalizado» distinguié ndolo con una N (mayúscula) que situaremos
despué s de las cifras y antes del volumen expresado. Por ejemplo: 600 Nm 3/h, equivale a un sistema que
proporciona 600 m3/h expresados en condiciones normales.
Las condiciones normales varían según el á rea de influencia tecnológica.
Aire presente en la atmósfera
El aire atmosfé rico contiene cierta proporción de humedad. Esta proporción es mayor o menor según
el país, la localidad, las condiciones climatológicas y según las estaciones del año. Por ejemplo, en
primavera y otoño, el problema de la humedad en el aire se hace má s patente, ya que, en virtud de las
temperaturas relativamente altas de la noche, se tienen unos amaneceres con elevados índices de
humedad. igualmente, la humedad constituye, como es lógico, un problema mucho má s serio en los
climas húmedos que en los secos.
La aptitud del aire para retener agua vaporizada está relacionada con la temperatura y la presión, pero
principalmente con la primera, admitiendo má s vapor de agua cuando aumenta su temperatura. Un aire
saturado (100% de humedad) puede retener má s humedad si aumenta la temperatura o desciende la
presión, y por el contrario, desprende parte de su contenido de humedad si baja la temperatura o sube la
presión.
En la zona europea, la norma C.E.T.O.P. RP-44P, propone como condiciones atmosfé ricas normales
las que está n especificadas en la ISO R 554, y que corresponden a la temperatura de 20 ºC a la presión de
1013 mbar y con una humedad relativa del 65 %.
Los que siguen las indicaciones del «Compressed Air & Gas Institute» de U.S.A., 1 Nm3/h es 1 m3 de
aire por hora a la temperatura de 20 ºC a la presión de 1,033 kg/cm2 y con una humedad relativa del 36 %.
Los procedimientos de prueba o los mé todos de medida del caudal efectivo de aire en condiciones
normales suministrado por los compresores, vienen dados en las normas alemanas DIN 1945 y DIN 1952,
inglesa BSS 726-1952, americana ASME PTC 9 y francesa NFXIO-191.
Aire comprimido
En los sistemas de aire comprimido, el aire aspirado por el compresor entra a la presión y temperatura
ambiente o atmosfé rica, con su consiguiente humedad relativa. Entonces, se le comprime a una presión
má s alta que la atmosfé rica. Este ciclo de compresión lleva consigo una elevación de temperatura y, como
consecuencia, un calentamiento del aire hasta un grado tal que toda la humedad contenida en el mismo
pasará por el compresor al ser aspirado.
Se comprende, por lo tanto, que este aire comprimido caliente que descarga el compresor y que lleva
vapor de agua, al irse enfriando por radiación y convección en el depósito y tuberías de distribución, y
descender su temperatura hasta igualar la temperatura ambiente, condensará la mayor parte de este vapor
en forma de gotas de agua, las cuales será n arrastradas por el mismo flujo del aire hacia los lugares de
utilización.
Pá gina 10
INSTALACIONES INDUSTRIALES
INTRODUCCIÓ N
A continuación desarrollamos en forma resumida los pará metros que nos definen la humedad
ambiente. Luego vamos a definir los equipos necesarios en una instalación para reducir a valores
aceptables la humedad presente en aire.
Humedad
Ya hemos dicho que la cantidad de humedad existente en el aire comprimido depende de las
condiciones climatológicas que concurren en el aire atmosfé rico aspirado por el compresor, por lo que
vamos a proceder al estudio de é ste.
Por psicrometría se entiende todos aquellos procedimientos relacionados con la medida del contenido
en vapor de agua existente en el aire, sea comprimido o no, aunque, en té rminos generales, la psicrometría
puede referirse a cualquier vapor existente en cualquier gas; aquínos referiremos al sistema de agua-aire.
No vamos a desarrollar en este apartado toda la teoría correspondiente a la psicrometría, sino que
tomaremos aquellas fórmulas imprescindibles para comprender los fenómenos agua-aire que suceden en
el aire comprimido, para una mejor comprensión de por que es necesaria una depuración del aire
comprimido antes de su utilización.
Humedad absoluta
Es el peso de vapor de agua, expresada en kg, existente en un kilogramo de aire seco. Se representa
por la letra W.
Es decir, se tiene la relación:
kg vapor de agua
presión parcial del vapor de agua
= 0,625 ×
kg aire seco
presión parcial del aire seco
p
W = 0,625 × va
pb
W=
y puesto que pb =p - pva
Se tendrá :
W = 0,625 ×
pva
p-pva
(A)
siendo:
W = Humedad absoluta en kg de vapor de agua por kg de aire seco.
pva = Presión parcial del vapor de agua.
p = Presión total del sistema.
pb = Presión parcial del aire seco.
Humedad de saturació n
Es el má ximo peso de vapor de agua que admite un kg de aire seco a una determinada temperatura y
presión.
La humedad de saturación representada por Ws, sólo dependerá de la presión y la temperatura. Su
valor se calculará utilizando la ecuación (A), y la presión parcial del vapor saturado de agua por la
presión de vapor de la misma a la temperatura y presión consideradas.
Pá gina 11
INSTALACIONES INDUSTRIALES
INTRODUCCIÓ N
Ws = 0,625 ×
pvs
(p - pvs )
(B)
siendo:
Ws = Humedad de saturación en kg de vapor de agua por kg de aire seco.
pvs = Presión del vapor saturado de agua a la temperatura considerada, leída en la tabla
correspondiente.
p = Presión total del sistema en las mismas unidades que pvs (normalmente en mm Hg).
Si en un ambiente de aire saturado se añ ade más agua lí
quida, la humedad de saturació n
permanecerí
a constante y la totalidad del agua añ adida se mantendrí
a en su estado lí
quido sin
evaporarse.
EJEMPLO. Calcular la humedad de saturación del aire a 7 atm efectivas y 30 ºC.
Empleando la ecuación (B), y hallando en la tabla de presiones de vapor la que corresponde a 30 ºC,
se tendrá :
Pvs = 31,8 mm Hg.
Por otro lado, la presión del sistema es de 7 atm efectivas, que corresponderá a 8 atm absolutas
(ATA), con lo que:
8 x 760 mm Hg = 6080 mm Hg.
Por tanto:
Ws = 0 ,625 ×
kg H 2O
31,8
= 0 ,00328
kg aire sec o
( 6080 - 31,8 )
Resultando 0,00328 kg de vapor de agua por cada kg de aire seco.
Esto quiere decir que, en dichas condiciones de temperatura y presión, el aire podrá contener hasta un
má ximo de 3,28 gramos de vapor de agua por cada kg de aire seco.
Pá gina 12
INSTALACIONES INDUSTRIALES
INTRODUCCIÓ N
Humedad relativa
Es la relación entre la humedad absoluta existente W y la humedad má xima que tal sistema podría
contener, es decir, la humedad de saturación Ws, se representa por Wr y se da en tanto por ciento:
Wr =
W
× 100
Ws
(C)
Una humedad relativa del 100 % significa que se trata de un ambiente saturado, es decir, en el que:
W = Ws
Una humedad relativa del 0 % indica que se trata de un ambiente de aire totalmente exento de
humedad.
El tanto por ciento indicado para la humedad relativa nos permite conocer el grado de saturaci ón.
EJEMPLO. La humedad de saturación del aire a 50 ºC y 7 atm efectivas es de 9,63 gramos de vapor
de agua por kg de aire seco. Supongamos que la humedad absoluta del aire, en el sistema considerado, es
de 6,22 gramos de vapor de agua por kg de aire seco.
La humedad relativa del aire en estas condiciones será :
Wr =
6.22
× 100 = 64 ,6%
9.63
En dichas condiciones el aire podría contener aún 9,63 - 6,22 = 3,41 gramos de vapor de agua por
kg de aire seco.
Punto de rocío
Uno de los conceptos má s utilizados para indicar el grado de humedad de un aire comprimido o de un
aire ambiente, es el punto de rocío.
Pá gina 13
INSTALACIONES INDUSTRIALES
INTRODUCCIÓ N
El punto de rocío determina una temperatura t a la cual el aire llega al punto de saturación; es decir el
aire se convierte en aire saturado. No se producirá n condensaciones si la temperatura del aire se mantiene
por encima del punto de rocío.
Cuando un ambiente de aire atmosfé rico o de aire comprimido seco se somete a un proceso de
enfriamiento, la humedad de saturación va disminuyendo. Como la humedad absoluta permanece
constante, la humedad relativa aumentará hasta que la misma alcance el 100 %. La temperatura t existente
en ese momento indicará el valor del punto de rocío.
Si un ambiente determinado posee una temperatura de 25 ºC y un punto de rocío de 7 ºC, significa que
para que tal ambiente alcance la saturación es necesario que sufra un enfriamiento hasta 7 ºC.
La principal utilización del concepto de punto de rocío está en el campo del aire seco, en donde es el
pará metro fundamental para indicar la mayor o menor calidad del mismo. Puntos de roc ío muy bajos
indican aire muy seco y, por lo tanto, de gran calidad; puntos de rocío elevados suponen aire con altas
humedades relativas.
De donde se deduce que para aire con humedad relativa:
•
Inferior al 100 % (aire seco), el punto de rocío será siempre inferior a la temperatura real del
ambiente considerado.
•
Igual al 100 % (aire saturado), el punto de rocío coincidirá con el de la temperatura real del
ambiente considerado.
•
Igual al 100 %, pero conteniendo fase líquida en suspensión (nieblas), el punto de rocío será
superior al de la temperatura real del ambiente considerado.
El punto de rocío puede calcularse a partir de datos psicromé tricos tales como:
•
Humedad relativa y temperatura ambiente.
•
Humedad relativa y humedad de saturación.
•
Humedad absoluta.
Habitualmente, el punto de rocío se determina utilizando tablas o diagramas psicromé tricos.
Asimismo existen medidores de punto de rocío que proporcionan la lectura directa del mismo.
Por aplicación de fórmulas, es posible calcular el punto de rocío a partir de la humedad relativa W,. y
de la temperatura ambiente t, que es el caso má s general que se puede presentar.
En primer lugar, se halla la humedad de saturación W, a partir de la temperatura t y de la presión del
sistema, utilizando la ecuación (B):
Ws = 0,625 ×
pvs
(p - pvs )
Luego, se obtiene la humedad absoluta W a partir de la ecuación:
W = Wr x Ws
Puesto que, en el punto de rocío, la humedad absoluta W se convierte en humedad de saturación
W = Ws se utilizará la fórmula (B):
despejando de ella pvs y sustituyendo Ws por el valor de W calculado anteriormente.
pvs =
W×p
( 0,625 + W)
Pá gina 14
INSTALACIONES INDUSTRIALES
INTRODUCCIÓ N
Finalmente, en la tabla de presiones de vapor de agua que se inserta a continuación se busca la
temperatura que corresponde al valor calculado para pvs; dicha temperatura es el valor del punto de rocío
deseado.
EJEMPLO. Calcular el punto de rocío de un ambiente a 25 ºC y 70 % de humedad relativa a la presión
atmosfé rica.
Siguiendo la pauta que se acaba de exponer, dado que la presión del vapor de agua a 25 ºC es de
23,756 mm Hg, resulta:
Ws = 0,625 ×
W=
kg H 2O
23,756
= 0,0202
( 760 − 23,756 )
kg aire sec o
kg H 2O
kg H 2O
70
× 0,0202
= 0,01414
kg aire sec o
kg aire sec o
100
pvs =
0,01414 × 760
= 16,81mmHg
( 0,625 + 0,01474 )
Entrando con el valor hallado en la tabla de vapor de agua obtenemos como temperatura de punto de
rocío de:
trocío = 19,73 ºC
Pá gina 15
GENERACIÓ
N DE AIRE COMPRIMIDO
INSTALACIONES INDUSTRIALES
GENERACIÓ N DE AIRE COMPRIMIDO
Clasificación de los compresores
Los compresores son má quinas que aspiran el aire ambiente (a presión atmosfé rica) y lo comprimen
hasta conferirle una presión superior.
Los compresores se los puede clasificar primeramente en dos grandes grupos. El primer grupo
consiste en los compresores de desplazamiento fijo, el segundo grupo el de los compresores de
desplazamiento variable.
Dentro del primer grupo se encuentran los compresores alternativos dentro de los cuales encontramos
dos tipos: a pistón y a membrana.
Dentro de este grupo de desplazamiento fijo tambié n se encuentran los compresores de tipo rotativo
dentro de los cuales encontramos tres tipos: a paletas, a tornillo y tipo roots.
El segundo grupo correspondiente a los de desplazamiento variable dentro de los cuales encontramos
dos tipos: radial y axial.
En el siguiente cuadro vamos a mostrar el diagrama de clasificación de los compresores:
a pistó n
Alternativos
Desplazamiento
fijo
a membrana
a paletas
Rotativos
Tipos de
compresores
a tornillo
roots
Desplazamiento
variable
(turbocompresores)
radial
axial
Compresores Alternativos
Compresores a pistó n
Son los de uso má s difundido en donde la compresión se efectúa por el movimiento alternativo de un
pistón accionado por un mecanismo biela manivela. En la carrera descendente se abre la vá lvula de
admisión automá tica y el cilindro se llena de aire para luego en la carrera ascendente comprimirlo
saliendo asípor la vá lvula de descarga.
Pá gina 17
INSTALACIONES INDUSTRIALES
GENERACIÓ N DE AIRE COMPRIMIDO
1) Vá lvula de admisión.
2) Vá lvula de escape.
3) Pistón.
4) Aros de pistón.
5) Biela.
6) Doble á rbol.
Pá gina 18
INSTALACIONES INDUSTRIALES
GENERACIÓ N DE AIRE COMPRIMIDO
Secuencia de operación
Una simple etapa de compresión como la descripta no permitirá obtener presiones elevadas, con un
rendimiento aceptable, será necesario entonces recurrir a dos o má s etapas de compresión, en donde el
aire comprimido a baja presión de una primera etapa (3-4 bar) llamada de baja, es vuelto a comprimir en
otro cilindro en una segunda etapa llamada de alta, hasta la presión final de utilización (ver fig).Puesto
que la compresión produce una cierta cantidad de calor, será necesario refrigerar el aire entre las etapas
para obtener una temperatura final de compresión má s baja y con rendimiento superior. La refrigeración
de estos compresores se realiza por aire o por agua, dependiendo del tipo de compresor y su presi ón de
trabajo.
Pá gina 19
INSTALACIONES INDUSTRIALES
GENERACIÓ N DE AIRE COMPRIMIDO
1) Pistón de la primera etapa.
2) Pistón de la segunda etapa.
3) Intercambiador de calor.
4) Cigüeñal.
El cilindro de alta es de diá metro má s reducido que el de baja, puesto que é ste toma el aire ya
comprimido por la primera y por lo tanto ocupará menos volumen. Para presiones superiores será
necesario recurrir a varias etapas de compresión. Una buena rentabilidad del equipo compresor se
obtendrá trabajando en los siguientes rangos de presión de acuerdo al número de etapas, considerando un
servicio continuo:
•
hasta 3-4 bar: 1 etapa
•
hasta 8-10 bar: 2 etapas
•
má s de 10 bar: 3 etapas o má s
Secuencia de operación
Pá gina 20
INSTALACIONES INDUSTRIALES
GENERACIÓ N DE AIRE COMPRIMIDO
Para presiones superiores a las indicadas, la rentabilidad del equipo disminuye.
Tambié n se construye este tipo de compresor con cilindros de doble efecto, con lo que se logra
duplicar la capacidad del compresor con una construcción má s compacta. Un cilindro de doble efecto se
muestra en el esquema de la derecha:
Donde se requiere aire sin vestigios de aceite puede recurrirse al compresor de pistón seco en donde
los aros son de material antifricción tipo teflón o de grafito.
El campo de utilización de estos compresores va de 50 a 25.000 Nm 3/h de capacidad y presiones
desde 2 a 1.000 ó2.000 bar.
Compresores a membrana
Son de construcción sencilla y consisten en una membrana accionada por una biela montada sobre un
eje motor excé ntrico; de este modo se obtendrá un movimiento de vaivé n de la membrana con la
consiguiente variación del volumen de la cá mara de compresión en donde se encuentran alojadas las
vá lvulas de admisión y descarga, accionadas automá ticamente por la acción del aire. Permiten la
producción de aire comprimido absolutamente exento de aceite, puesto que el mismo no entra en contacto
con el mecanismo de accionamiento, y en consecuencia el aire presenta gran pureza.
Pá gina 21
INSTALACIONES INDUSTRIALES
GENERACIÓ N DE AIRE COMPRIMIDO
Utilizados en medicina y en ciertos procesos químicos donde se requiera aire sin vestigios de aceite y
gran pureza. No utilizados en general para uso industrial. Sus posibilidades se limitan a bajos caudales y a
presiones moderadas.
Compresores rotativos
Se denominan compresores rotativos a aquellos grupos que producen aire comprimido por un sistema
rotatorio y continuo, es decir, que empujan el aire desde la aspiraci ón hacia la salida, comprimié ndolo.
Compresores a paleta
Tambié n llamados multialetas o de é mbolos rotativos. Constan de una carcaza cilíndrica en cuyo
interior va un rotor montado excé ntricamente de modo de rozar casi por un lado la pared de la carcaza
formando así del lado opuesto una cá mara de trabajo en forma de media luna. Esta cá mara queda dividida
en secciones por un conjunto de paletas deslizantes alojadas en ranuras radiales del rotor.
1) Rotor.
2) Paletas.
3) Estator.
Al girar este último, el volumen de las secciones varía desde un má ximo a un mínimo, producié ndose
la aspiración, compresión y expulsión del aire sin necesidad de vá lvula alguna. Este tipo de compresor es
muy adecuado para los casos en que no es problema la presencia de aceite en el aire comprimido,
fabricá ndose unidades de hasta 6.000 Nm 3/h de capacidad y hasta una presión de 8 bar en una sola etapa y
30 bar en dos etapas con refrigeración intermedia.
En los últimos años se ha empezado a sustituir la refrigeración mediante inyección de aceite que actúa
durante todo el proceso de compresión. Dicho aceite absorbe una parte considerable de calor de
compresión, de manera tal que aún para presiones de salida de 8 bar no se alcanzan temperaturas
Pá gina 22
INSTALACIONES INDUSTRIALES
GENERACIÓ N DE AIRE COMPRIMIDO
superiores a los 90°C en la mezcla aire-aceite. Este último es extraído haciendo pasar la mezcla por
separadores especiales y luego de refrigerado es inyectado nuevamente.
De requerirse aire exento de aceite, las paletas deben ser hechas de materiales autolubricantes, tipo
teflón o de grafito. Alcanzan una vida útil de 35.000 a 40.000 horas de funcionamiento dado el caso de
desgaste de los órganos móviles (paletas) por la abundante presencia de aceite. Este tipo de compresores
suministran un flujo casi sin pulsaciones y en forma continua utilizando un depósito de dimensiones
reducidas que actúa de separador de aceite.
Compresores a tornillo
Tambié n llamados compresores helicoidales. La compresión en esta má quina es efectuada por dos
rotores helicoidales, uno macho y el otro hembra que son prá cticamente dos tornillos engranados entre sí
y contenidos en una carcaza dentro de la cual giran. El macho es un tornillo de cuatro entradas y la
hembra de seis. El macho cumple prá cticamente la misma función que el pistón en el compresor
alternativo y la hembra la del cilindro. En su rotación los lóbulos del macho se introducen en los huecos
de la hembra desplazando el aire axialmente, disminuyendo su volumen y por consiguiente aumentando
su presión. Los lóbulos se “ llenan” de aire por un lado y descargan por el otro en sentido axial.
Pá gina 23
INSTALACIONES INDUSTRIALES
GENERACIÓ N DE AIRE COMPRIMIDO
Los dos rotores no está n en contacto entre sí, de modo tal que tanto el desgaste como la lubricación
resultan mínimas. Esto se logra a travé s de un juego de ruedas dentadas que mantiene el sincronismo de
giro de los rotores y evita que é stos presionen unos contra otros, asegurá ndose la estanqueidad necesaria
por la estrecha tolerancia de los juegos que existen entre ellos y la de é stos con la carcaza.
La refrigeración y la lubricación (no necesaria en el rotor) y una mejor hermeticidad se logran por
inyección de aceite en la compresión que luego será separado del aire comprimido en separadores, al
igual que en los compresores de paletas. Se construyen de 1, 2 o má s escalones de compresión y entregan
un flujo casi continuo por lo que las dimensiones del depósito son reducidas, cumpliendo má s bien
funciones de colector y separador de aceite que de acumulador.
El campo de aplicación de é stos va desde 600 a 40.000 Nm 3/h y se logran presiones de hasta 25 bar.
Compresores Roots
Sólo transportan el volumen de aire aspirado del lado de aspiración al de compresión, sin comprimirlo
en este recorrido. No hay reducción de volumen y por lo tanto tampoco aumento de presión. El volumen
que llega a la boca de descarga, todavía con la presión de aspiración, se mezcla con el aire ya comprimido
Pá gina 24
INSTALACIONES INDUSTRIALES
GENERACIÓ N DE AIRE COMPRIMIDO
de la tubería de descarga y se introduce en la cá mara llegando é sta a la presión má xima siendo luego
expulsado. Un juego de engranajes accionan los rotores en forma sincrónica y evitan que se rocen entre sí.
Resultan apropiados cuando se requiere aire comprimido a bajas presiones completamente libre de
rastros de lubricante. Solo se alcanzan presiones no muy superiores a los 1,5 bar y por tal razón su uso es
restringido en aplicaciones neumá ticas.
Pá gina 25
INSTALACIONES INDUSTRIALES
GENERACIÓ N DE AIRE COMPRIMIDO
Turbocompresores
Funcionan bajo el principio de la diná mica de los fluidos, en donde el aumento de presión no se
obtiene a travé s del desplazamiento y reducción del volumen sino por efectos diná micos del aire.
Compresores radiales
Se basan en el principio de la compresión del aire por fuerza centrífuga y consta de un rotor centrífugo
que gira dentro de una cá mara espiral, tomando el aire en sentido axial y arrojá ndolo a gran velocidad en
sentido radial. La fuerza centrífuga que actúa sobre el aire lo comprime contra la cá mara de compresión.
Pueden ser de una o varias etapas de compresión consecutivas, alcanzá ndose presiones de 8 bar y
caudales entre 10.000 y 200.000 Nm3/h.
Pá gina 26
INSTALACIONES INDUSTRIALES
GENERACIÓ N DE AIRE COMPRIMIDO
Son má quinas de alta velocidad, siendo é sta un factor fundamental en el funcionamiento ya que está
basado en principios diná micos, siendo la velocidad de rotación del orden de las 15.000 20.000 rpm, y
aún má s.
Aquí las turbinas se presentan en forma independiente pero interconectadas entre sí de acuerdo con el
progreso de la compresión.
Esta disposición permite dimensionar la etapa de acuerdo con su función ademá s de permitir la
refrigeración entre cada una y la siguiente mejorando de esta manera su rendimiento.
En general este tipo de compresores permiten manejar grandes caudales a grandes presiones (220.000
m3/h y 300 bar, como má ximo).
Compresores axiales
Se basan en el principio de la compresión axial y consisten en una serie de rodetes consecutivos con
á labes que comprimen el aire. Se construyen hasta de 20 etapas de compresión (20 rodetes).
Pá gina 27
INSTALACIONES INDUSTRIALES
GENERACIÓ N DE AIRE COMPRIMIDO
El campo de aplicación de este tipo de compresor alcanza caudales desde los 200.000 a 500.000
Nm3/h y presiones de 5 bar, raramente utilizados en neumá tica industrial.
Regulación de compresores alternativos
En la prá ctica el consumo de aire comprimido resulta muy variable a causa de la multiplicidad e
intermitencia del uso que se hace del mismo. Ahora bien, en los compresores de desplazamiento fijo el
caudal depende casi exclusivamente de la velocidad de rotación. Siendo é sta en la prá ctica constante
(motor elé ctrico de una sola velocidad), tambié n lo será el caudal y por lo tanto tendremos en
determinado momento un exceso de generación. Deberíamos por lo tanto tener la posibilidad de
almacenar este aire producido en exceso.
Esto se realiza mediante un depósito de acumulación pero sólo puede hacerse en un período limitado,
hasta alcanzar la presión má xima admisible por el compresor o el acumulador. Será entonces necesario
recurrir a mé todos de regulación que interrumpan la generación una vez alcanzado dicho nivel má ximo o
la presión establecida para sistema.
Sistema de marcha y parada
El compresor funciona a intervalos intermitentes y se detiene cuando en el depósito se alcanza la
presión má xima o presión de corte. A partir de ese instante el consumo es satisfecho por el aire
acumulado en el depósito hasta que en el mismo la presión llegue a un valor mínimo admisible de
regulación (presión de arranque), momento en que vuelve a arrancar para cubrir la demanda.
Es el sistema de regulación má s económico y el má s difundido para pequeñas má quinas. No puede
utilizarse cuando el consumo sea tal que el compresor deba arrancar y para continuamente, pues tanto el
motor como su contactor admiten un número limitado de maniobras horarias (10 a 15 como má ximo)
determinadas por el calentamiento o desgaste de los mismos.
La señal de arranque y parada se obtiene a travé s de un presóstato regulado entre las presiones
má xima y mínima, enviando una señal elé ctrica al contactor del motor, el que ordena su marcha o parada.
Pá gina 28
INSTALACIONES INDUSTRIALES
GENERACIÓ N DE AIRE COMPRIMIDO
Sistema de marcha en vacío
El compresor con este sistema está continuamente en marcha, pero alterna períodos en que comprime
con períodos en que el aire es aspirado y expulsado por la misma vá lvula de aspiración. Esto se consigue
abriendo la o las vá lvulas de admisión. El aire aspirado en la carrera descendente del pistón es
nuevamente descargado en la atmósfera en la carrera ascendente. La apertura de la vá lvula de admisión se
obtiene a travé s de un mecanismo abre vá lvulas accionado por un pequeño pistón o una membrana
ubicados en la cabeza de los cilindros.
Este sistema es gobernado por una señal neumá tica proveniente de una electrová lvula actuada por un
presóstato en función de la presión del depósito. La frecuencia del ciclo carga-vacío puede ser elevada sin
causar daños al compresor y al motor elé ctrico. El compresor durante su marcha en vacío consume entre
10 y 15% del consumo a plena carga.
Otro sistema de marcha en vacío menos utilizado, consiste en cerrar el conducto de aspiración del
compresor, lo que conduce a un recalentamiento del mismo, sólo aplicable a má quinas de pequeña
potencia.
Rendimiento volumé trico del compresor
Es el cociente entre el volumen de aire realmente aspirado por el compresor (reducido a la presi ón y
temperatura externa) y el volumen de cilindrada (generado por la carrera de pistón). A primera vista este
rendimiento debería ser 100%, pero veremos que esto no ocurre debido a:
A) El aire que entra en el cilindro se calienta y aumenta su volumen.
B) La presión de aspiración debe ser necesariamente inferior a la atmosfé rica para permitir al aire
entrar al cilindro.
C) El cierre de las vá lvulas no es instantá neo, permitiendo fugas de aire.
D) Puede verificarse fugas a travé s de los aros del pistón y vá lvulas aún cerradas.
E) Presencia de un espacio nocivo al final de la carrera de compresión.
El aire comprimido en este espacio nocivo se expande dentro del cilindro en la carrera de aspiraci ón,
disminuyendo el volumen de aire realmente aspirado. Considerando sólo el último punto y para una
compresión isoté rmica, se llega a:
p

ηv = 1 − m ×  2 − 1
 p1

donde:
hv = Rendimiento volumé trico teórico
m= Coeficiente de espacio nocivo
p1= Presión absoluta de aspiración
p2= Presión absoluta de compresión
Este rendimiento se anularía para presiones efectivas , tal que (P2/P1-1) = 1/m, sin embargo en la
prá ctica ello no ocurre pues la compresión no es isoté rmica anulá ndose para valores má s elevados de la
presión. La disminución del rendimiento volumé trico con el aumento de la presión explica la razón por la
cual no deben obtenerse presiones elevadas en una sola etapa de compresión en forma rentable. El valor
del rendimiento volumé trico disminuye aún má s en má quinas usadas, pues pueden verificarse fugas a
travé s de los aros del pistón y vá lvulas aún cerradas. Al adquirir un compresor será necesario comprobar
que la capacidad indicada en la chapa sea la real y no la teórica.
Pá gina 29
INSTALACIONES INDUSTRIALES
GENERACIÓ N DE AIRE COMPRIMIDO
C real = ηv × Cteórica
Rangos De Utilización
Independientemente de las características particulares, es posible tener una idea del tipo de compresor
a utilizar conociendo previamente nuestra demanda.
Así el diagrama caudal-presión de la figura nos permitirá ubicar el tipo de compresor que mejor se
adapte a nuestras necesidades.
1) Compresor de pistón.
2) Compresor de doble tornillo.
3) Compresor de paletas.
4) Turbo compresor radial.
5) Turbo compresor axial.
Sólo si nuestra demanda cae en la zona que es común a varios tipos de compresores, deberemos
profundizar nuestro aná lisis.
Depósito de aire comprimido
Las funciones principales del depósito o acumulador son:
1) Obtener una considerable acumulación de energía para afrontar “ picos” de consumo que
superen la capacidad del compresor.
2) Contribuir al enfriamiento del aire comprimido y la disminución de su velocidad, actuando así
como separador de condensado y aceite proveniente del compresor.
Pá gina 30
INSTALACIONES INDUSTRIALES
GENERACIÓ N DE AIRE COMPRIMIDO
3) Amortiguar las pulsaciones originadas en los compresores, sobre todo en los alternativos.
4) Permitir la regulación del compresor compensando las diferencias entre el caudal generado y
el consumido, los cuales normalmente trabajan con regímenes diferentes.
Su capacidad dependerá de:
1) La características de la demanda en la red. Esta puede ser:
•
Constante
•
Intermitente
•
Instantá nea
2) Del sistema de regulación que tenga el compresor. Esto determina el número má ximo de
maniobras horarias: normalmente 10 cuando es por marcha y parada, 60 o má s cuando es por
carga y vacío.
3) De la amplitud del rango de presiones dentro del cual regula el compresor (...): normalmente
0,8 - 1 bar con regulación por marcha y parada y 0,3 - 0,5 bar con regulación por carga y
vacío.
El á baco permite calcular el volumen del depósito en función de las variables mencionadas para una
demanda del tipo constante.
El depósito deberá ubicarse en un lugar fresco, lo má s cerca posible del compresor, preferentemente
fuera del edificio, donde pueda disipar parte del calor producido en la compresi ón.
Su construcción podrá ser horizontal o vertical, prefirié ndose é stos últimos por el menor espacio
ocupado.
Pá gina 31
INSTALACIONES INDUSTRIALES
GENERACIÓ N DE AIRE COMPRIMIDO
El depósito debe ser firmemente anclado al piso para evitar vibraciones debidas a las pulsaciones del
aire.
Los accesorios mínimos que deberá n incluir son:
•
Vá lvulas de seguridad
•
Manómetro
•
Grifo de purga
•
Boca de inspección
La vá lvula de seguridad debe ser ubicada a no má s de 10% por encima de la presión de trabajo y
deberá poder descargar el total del caudal generado por el compresor. Deber á contar ademá s con un
dispositivo de accionamiento manual para probar periódicamente su funcionamiento.
Pá gina 32
INSTALACIONES INDUSTRIALES
GENERACIÓ N DE AIRE COMPRIMIDO
Cuando el tanque se instala en el exterior y existe peligro de temperatura por debajo de 0°C, el
manómetro y la vá lvula de seguridad, deben conectarse con tuberías para ubicarlos en el interior. Estas
tuberías deben tener pendiente hacia el depósito para que sean autodrenantes. Nunca instale vá lvulas de
bloqueo entre el depósito y la vá lvula de seguridad pues lo prohíben los reglamentos.
En los tamaños pequeños la inspección se realizará por medio de una simple boca bridada de 100 a
150 mm de diá metro; en los tamaños mayores estas bocas será n del tipo “ entrada de hombre” (460 a 508
mm).
Las cañerías para el control (regulación) deben ser conectadas al depósito en un punto donde el aire
sea lo má s seco posible. Es importante que é sta este provista de un filtro con vá lvula de purga para
permitir drenar el aire y aceite acumulado y asegurar un perfecto funcionamiento del sistema de
regulación.
Instale un regulador de presión que permita independizar la presión de trabajo del compresor de
aquella con que operan los sistemas de regulación (normalmente 4 - 6 bar).
La figura muestra un esquema de instalación del depósito y las líneas de control.
En algunas instalaciones el presóstato de regulación y la electrová lvula que comanda el dispositivo de
regulación (abrevá lvulas), se ubican cerca del depósito; en otros casos, estos elementos forman parte de
un tablero de control general.
Cuando se coloque una vá lvula de cierre en alguna de é stas cañerías, deberá tenerse especial cuidado
de que el compresor esté desconectado mientras la vá lvula esté cerrada.
Debe tenerse presente que el depósito constituye un elemento sometido a presión y por lo tanto existen
regulaciones oficiales respecto a sus características constructivas. Existen ademá s normas y códigos que
regulan su cá lculo, diseño, fabricación y ensayos.
Determinación de la capacidad de los compresores
La capacidad de los mismos puede determinarse aplicando los siguientes procedimientos:
1.
Determinar el consumo específico de todas las herramientas o equipos de la planta que
consumen aire comprimido en Nm3/min.
2.
Multiplicar dichos consumos por el coeficiente de utilización individual, que es el tiempo del
equipo funcionando en relación al tiempo total de un ciclo completo de trabajo o el
porcentaje del tiempo de utilización sobre una hora de trabajo.
Pá gina 33
INSTALACIONES INDUSTRIALES
GENERACIÓ N DE AIRE COMPRIMIDO
3.
Sumar dichos resultados.
4.
Agregar entre un 5 a 10% del valor computado en el item anterior, para totalizar las pé rdidas
por fugas en el sistema.
5.
Adicionar un cierto porcentaje para completar posibilidad de futuras ampliaciones, muy
importante ya que de otro modo las disponibilidades del sistema será n rá pidamente
superadas.
El resultado así obtenido (Qn) deberá ser cubierto por la capacidad del o de los compresores (Q c) que
si bien podrían llegar a funcionar con un coeficiente de demanda del 100%, esto implicaría la marcha
continua del compresor.
Por lo tanto elegiremos el mismo para un coeficiente de demanda del 80%, obteniendo la capacidad
del compresor dividiendo el valor de Q n antes hallado por el valor 0,8 (80%) antes mencionado,
resultando:
Qc =
Qn
= 1,25 × Qn
0,8
Si se desea una elección má s conservadora, puede realizarse el cá lculo con un coeficiente de demanda
del 70%, resultando:
Qc =
Qn
= 1,43 × Qn
0,7
Pá gina 34
TRATAMIENTO DE AIRE
INSTALACIONES INDUSTRIALES
TRATAMIENTO DE AIRE
Como vimos en la introducción la necesidad de tratar el aire comprimido para su utilización
debido a la presencia de elementos indeseables que se constituían en una de posteriores desperfectos y
deterioros de los componentes neumá ticos. Si bien el depósito constituye un atenuante para dicho fin,
podremos distinguir tres formas adicionales para realizar dicho tratamiento:
1.
A la salida del compresor mediante:
aire-agua
postenfriadores
aire-aire
2.
A la salida del depósito por medio de:
frigoríficos
secadores
por adsorció n
por absorció n
3.
En los puntos de utilización mediante:
•
Filtros
•
Reguladores
•
Lubricadores
Tratamiento del aire a la salida del compresor
Post-enfriadores Aire-Agua
Son los má s usuales para el tratamiento del aire comprimido. Se instalan inmediatamente a la salida
del compresor y reducen la temperatura hasta unos 25ºC, con lo cual se consigue eliminar un gran
porcentaje de agua y aceites contenidos en el aire (70 a 80 %). Constan, en general, de un serpentín o de
un haz tubular por donde circula el aire comprimido, circulando el fluido refrigerante agua en
contracorriente por el exterior de los mismos.
A la del refrigerador se encuentra un separador-colector en el que se acumulan el agua y el aceite
condensados durante la refrigeración. Son generalmente suficientes en la mayoría de las aplicaciones del
aire comprimido (talleres metalúrgicos e industrias en general), siempre que la instalación este provista de
purgadores y equipos de tratamientos de aire en los puntos de utilización que permitan recoger las
condensaciones producidas en las redes.
Este principio se mantiene, en los refrigeradores posteriores, para medios y altos caudales de air e
comprimido, es decir, hasta los 12.000 Nm 3/h en serie horizontal, y hasta los 7.500 Nm3/h en serie
vertical.
Para caudales bajos, el principio de la refrigeración es inverso. El aire comprimido circula por el
exterior del haz de tubos y el agua por su interior. La razón es sólo económica, ya que, por sus
dimensiones má s bien pequeñas, la construcción de los mismos se abarata. Su gama no pasa de los 8
Nm3/min.
Pá gina 36
INSTALACIONES INDUSTRIALES
TRATAMIENTO DE AIRE
En el punto anterior nos hemos referido a la temperatura ambiente como fuente fría. El agua de
abastecimiento corriente está asociada, en parte, al ambiente y por lo tanto se ha usado tambié n como
fuente f ría.
El post-enfriador aire - agua es má s efectivo que el post-enfriador aire - aire y ocupa menos volumen,
pero como contrapartida tenemos que es necesario atender la disminución de la temperatura del agua de
circulación.
Este enfriamiento se lleva a cabo en “ torres de enfriamiento” . A veces es necesario una torre de
enfriamiento específica para el post - enfriador, y a veces, dependiendo de la carga, puede compartir la
torre principal frecuentemente erigida para el agua de refrigeración de los compresores. Aparte de esto
deben considerarse las instalaciones adicionales no mencionadas: tuberías, bombas, etc.
El má s usual de los elementos existentes para depurar el aire comprimido es el refrigerador posterior,
que se coloca inmediatamente despué s del compresor y con el cual se consigue eliminar
aproximadamente un 70 - 80 % del agua y aceite contenidos en el aire.
Los refrigeradores posteriores, o intercambiadores de calor, reducen la temperatura del aire hasta 25
ºC y utilizan, como agente refrigerante, el agua.
En la ilustración se observan dos modelos (de diferentes tamaños) del post–enfriador aire – agua.
En la próxima ilustración podemos observar sus partes principales descriptas esquemá ticamente.
Pá gina 37
INSTALACIONES INDUSTRIALES
TRATAMIENTO DE AIRE
1: Casco.
2: Haz tubular.
3: Trampa de agua.
En la siguiente figura podemos observar un esquema del post–enfriador en forma esquemá tica.
Aquí podemos apreciar la evolución del agua de refrigeración, intercambiando calor con el a¡ re
comprimido que circula por el aparato. La zona de contacto entre ambos fluidos está considerablemente
extendida debido al tubo aletado con que se construyen. En este caso una parte del contacto entre fluidos
es en contra – corriente y otra a favor posibilitando la conexión del aparato en forma simple.
El agua de enfriamiento circula a contracorriente del aire comprimido por el exterior del haz tubular.
En su camino, el aire comprimido se dirige hacia el separador, que va incorporado en el refrigerador y
que tiene por objeto eliminar el agua y el aceite condensados durante la refrigeración.
Este principio se mantiene, en los refrigeradores posteriores, para medios y altos caudales de aire
comprimido, es decir, hasta los 12000 Nm³/h en serie horizontal, y hasta los 7500 Nm³/h en serie vertical.
Para caudales bajos, el principio de la refrigeración es inverso. El aire comprimido circula por el
exterior del haz de tubos y el agua por su interior. La razón es sólo económica, ya que, por sus
dimensiones má s bien pequeñas, la construcción de los mismos se abarata. Su gama no pasa de los 8
Nm³/m.
Los refrigeradores posteriores son generalmente suficientes en todas las utilizaciones del aire
comprimido (en los talleres metalúrgicos, astilleros, electrodomé sticos, industrias en general), a condición
de que, posteriormente, la instalación tenga un diseño adecuado y esté provista de purgadores
Pá gina 38
INSTALACIONES INDUSTRIALES
TRATAMIENTO DE AIRE
automá ticos, separadores y equipos de acondicionamiento de aire, en las tomas o entradas a má quinas,
que permitan recoger y eliminar las condensaciones producidas en las canalizaciones.
La temperatura de salida del aire del refrigerador es, aproximadamente, 10 ºC superior a la de entrada
del agua refrigerante. La temperatura que se admite para el agua de refrigeración, es de 10 a 15 ºC, y la
presión mínima del agua en circulación, de 0,5 a 0,7 kg./cm².
Todos los refrigeradores deben estar provistos de un purgador de condensados. Determinada la
cantidad de agua condensada por unidad de tiempo, puede programarse la frecuencia con que deben
efectuarse las purgas.
Eficacia del Post–enfriador Aire - Agua
La eficacia de un refrigerador viene dada por:
T2 = Temperatura de salida del aire
t 1 = Temperatura de entrada del agua
Consecuentemente teniendo en cuenta las dos definiciones anteriores:
∆t = 5 a 7 ºC
Alto rendimiento
∆t = 7 a 10 ºC Buen rendimiento
∆t = 10 a 12 ºC Escaso rendimiento
∆t = 12 a 15 ºC Mal rendimiento
∆t > 15 ºC
Inadmisible
Por lo tanto, se ha de cuidar que la temperatura del agua utilizada para la refrigeración sea lo má s fría
posible si queremos que el aire comprimido salga del refrigerador a una temperatura lo má s cercana
posible a la temperatura ambiente. Ello querrá decir que hemos obtenido un aire exento de la mayor parte
de humedad que contenía.
De igual manera, es conveniente no utilizar agua de elevada dureza para la refrigeración, al objeto de
evitar las incrustaciones. Esto se puede conseguir haciendo circular en el refrigerador un caudal de agua
superior al normal, de forma que, en la salida, el agua esté a la temperatura má s baja posible. Sin
embargo, es preferible dotar a la instalación de un tratamiento de agua adecuado a su naturaleza.
Elección del Post-enfriador Aire - Agua
La elección del post - enfriador debe hacerse cuidadosamente. Los pará metros a tener en cuenta son:
•
Ambiente.
•
Caudal.
•
Temperatura del aire de entrada.
•
Caída de presión admisible (a la presión de trabajo).
•
La temperatura del aire de salida debe ser tal que asegure el correcto funcionamiento del
secador (en caso de existir).
Instalación del Post-enfriador Aire - Agua
Las precauciones para la instalación del post-enfriador son muy pocas: debemos colocarlo en posición
horizontal, usar agua filtrada para evitar obturaciones y mantener el agua en circulación durante la
operación, ademá s de drenar periódicamente.
Los refrigeradores por agua está n previstos para montarlos en posición horizontal o vertical. La forma
horizontal es la má s generalizada y está concebida de manera que el refrigerador quede alineado con la
tubería de impulsión del compresor. Los de forma vertical se utilizan cuando el espacio disponible es
Pá gina 39
INSTALACIONES INDUSTRIALES
TRATAMIENTO DE AIRE
pequeño o cuando no existe una pared apropiada para el montaje del refrigerador horizontal. Est á n
provistos de un soporte base y, por lo tanto, no precisan pieza alguna de sujeci ón complementaria.
Los refrigeradores posteriores, tanto los horizontales como los verticales, está n formados por una
carcasa (cuerpo principal) de chapa, en cuyo interior se encuentra el haz tubular que es de cobre. Es
desmontable y dilatable, estando constituido por un conjunto de tubos colocados entre dos placas
tubulares con pantallas transversales y tirantes intercalados.
Tienen, tambié n, un cabezal de entrada y otro de salida, unidos independientemente al separador, en el
modelo horizontal; e incorporados formando una unidad integral, en el mo delo vertical.
Llevan anexos:
•
Termómetros de entrada y salida de aire.
•
Manómetro.
•
vá lvula de seguridad.
•
Purga manual o automá tica.
Post-enfriadores Aire-Aire
El refrigerador posterior de aire debe situarse tambié n a la salida del aire en el compresor; utiliza
como elemento de refrigeración el aire producido por un grupo motor-ventilador.
Se emplean estos refrigeradores cuando el agua es escasa o no resulta fá cil llevarla hasta el mismo
refrigerador, o cuando, por su precio, sería antieconómica una refrigeración por agua; es decir, cuando
existan dificultades en el suministro del agua. En caso contrario, se recomienda colocar un refrigerador
posterior de agua.
El refrigerador de aire ilustrado en la figura está constituido por una batería de tubos de aletas por
cuyo interior circula el aire comprimido, el cual viene obligado a efectuar un largo recorrido a trav é s del
haz tubular para conseguir el intercambio té rmico aire-aire.
Postenfriador
Aire - Aire
La refrigeración forzada del radiador se logra por la acci ón de un electroventilador axial que efectúa el
soplado para obtener el barrido del aire caliente que despide el intercambiador mediante la entrada de aire
atmosfé rico.
Para alcanzar una buena eficacia de este sistema, es absolutamente necesario que el aire aspirado por
el ventilador sea lo má s frío posible, siendo conveniente efectuar una abertura en la sala de compresores,
cerca y enfrente del refrigerador, para que reciba directamente el aire fresco del exterior.
Pá gina 40
INSTALACIONES INDUSTRIALES
TRATAMIENTO DE AIRE
Al igual que en los refrigeradores de agua, la temperatura de salida del aire comprimido del
refrigerador es, aproximadamente, 10 °C superior a la temperatura de entrada del aire de refrigeración. Su
mejor rendimiento se obtiene cuando las condiciones ambientales se acerquen a los 15 °C de temperatura
y la humedad relativa se mantenga entre el 50 % y 70 %, como má ximo.
Sus limitaciones está n relacionadas con la má xima presión de trabajo, la temperatura má xima de
operación, la temperatura del ambiente y la capacidad de circulación que permite, pues cualquier
variación de estos pará metros debería ser tal que a la salida la temperatura del aire comprimido sea menor
que 40 ºC.
Este tipo de refrigerador es de construcción sencilla. El conjunto va ensamblado en un chasis de acero
galvanizado de forma cuadrangular que le confiere una gran rigidez, descansando sobre patas para
emplazarlo sobre el suelo lo má s cerca posible del compresor.
Los refrigeradores posteriores aire-aire está n dotados de separador de condensados. Para eliminar
é stos puede efectuarse por medio de una purga manual o automá tica.
1: Ventilador.
2: Serpentí
n intercambiador de calor.
3: Motor del ventilador.
Pá gina 41
INSTALACIONES INDUSTRIALES
TRATAMIENTO DE AIRE
Precauciones generales a tomar para su instalación
•
Colocar el post-enfriador sobre un tramo horizontal de la tubería.
•
No debe instalarse pegado a la pared.
•
Colocar en un lugar limpio y ventilado.
•
Drenar periódicamente.
Tratamiento del aire a la salida del depósito
Secadores frigoríficos
El principio del mé todo de secado por refrigeración es en si extremadamente simple. Se trata de
enfriar el aire hasta una determinada temperatura y extraer el condensado que se forma. El aire a secar
pasa a travé s de un intercambiador donde se enfría por la acción del fluido refrigerante de un ciclo
frigorífico. A la salida del intercambiador se coloca un separador-colector de condensados para su
posterior eliminación. Con este tipo de secado se obtienen temperaturas del aire muy bajas, del orden de
2ºC, obtenié ndose aire prá cticamente seco.
El aire comprimido que entra al secador se preenfría en el intercambiador aire-aire y seguidamente se
introduce en el evaporador donde se enfría hasta alcanzar la temperatura del punto de rocío deseado.
A continuación penetra en el evaporador donde el agua condensada es separada y evacuada por la
purga automá tica.
Antes de salir del secador el aire comprimido vuelve a entrar al intercambiador aire-aire donde es
recalentado por el aire comprimido caliente de entrada.
1: Intercambiador de calor (aire - aire).
2: Evaporador (entrada de freón).
3: Impulsor del ventilador.
4: Compresor de freón.
5: Vá lvula termostá tica.
6: Filtro de aire.
7: Purga automá tica.
Pá gina 42
INSTALACIONES INDUSTRIALES
TRATAMIENTO DE AIRE
El funcionamiento del circuito frigorífico es similar al de un frigorífico domé stico. El compresor
frigorífico aspira vapor de gas refrigerante a baja presión procedente del evaporador situado en el
“ acumulador de energía” . Seguidamente el gas es bombeado por el compresor hacia el condensador
donde se enfría mediante el aire ambiente impulsado por el motoventilador. El paso a travé s del filtro y
del capilar, provoca la expansión del refrigerante con el consiguiente enfriamiento del mismo.
Este cede sus frigorías en el evaporador al aire comprimido y a la masa té rmica, volviendo así a su
estado gaseoso para iniciar de nuevo el ciclo. Cuando el frío producido es superior al calor a evacuar, é ste
es acumulado en la masa té rmica.
La temperatura de la masa té rmica es controlada por un termostato que detiene el compresor cuando
alcanza la temperatura prefijada. Este es el único sistema donde todo el frío producido es utilizado por el
aire comprimido.
Pá gina 43
INSTALACIONES INDUSTRIALES
TRATAMIENTO DE AIRE
El resultado es un ahorro de energía y de horas de trabajo del compresor frigorífico variable entre un
30 y un 80%.
1. Entrada aire comprimido húmedo.
8. Compresor frigorífico.
2. Salida de aire comprimido seco.
9. Condensador de gas refrigerante.
3. Intercambiador aire-aire.
10. Motoventilador.
4. Acumulador de energía.
11. Filtro del refrigerante.
5. Separador de condensados.
12. Capilar de expansión.
6. Filtro mecá nico.
13. Vá lvula de control.
7. Electrová lvula de purga.
14. Termostato.
Tratamiento del aire con secador colocado después del depósito
Se recomienda esta instalación cuando los compresores trabajan casi constantemente y el consumo
total, en su punto má s alto, es equivalente al caudal del compresor.
Pá gina 44
INSTALACIONES INDUSTRIALES
TRATAMIENTO DE AIRE
1. Compresor de aire
2. Refrigerador posterior (*) (*)
3. Separador de condensados (*)
4. Depósito
5. Derivación (bypass)
6. Secador frigorífico
Tratamiento del aire con secador colocado antes del depósito
Este montaje se aconseja cuando la utilización es muy variable y los consumos de aire en un momento
dado, son mayores o menores que el caudal del compresor. El dep ósito debe ser lo suficientemente grande
para hacer frente a la demanda requerida de aire, que es de corta duración y alto valor (fluido impulsado).
1. Compresor de aire
4. Depósito
2. Refrigerador posterior (*)
5. Derivación (bypass)
3. Separador de condensados (*)
6. Secador frigorífico
Secadores por adsorció n
Responden a esta denominación aquellos secadores que efectúan el secado mediante un adsorvente
sólido de elevada porosidad tal como: sílicagel, alúmina, carbón activado, etc. Estas sustancias se saturan
y deben ser regeneradas periódicamente a travé s de un adecuado proceso de reactivación. Para ampliar su
función estos secadores está n constituidos por dos torres de secado gemelas con la respectiva carga de
adsorvente, funcionando cíclicamente una, mientras la otra está siento regenerada. Con este tipo de
secadores se obtiene aire extremadamente seco, equivalente a un punto de rocío a presión atmosfé rica de 20 a -40ºC.
(*)
El refrigerador con separador de condensados es indispensable cuando el compresor no incluye refrigerador
final.
Pá gina 45
INSTALACIONES INDUSTRIALES
TRATAMIENTO DE AIRE
Secadores por absorció n
Normalmente este tipo de secadores usa pastillas desecantes de composición química y granulado
sólido altamente higroscópico, que se funden y licuan al ir el vapor de agua contenido en el flujo a secar.
Son de costo inferior a los secadores frigoríficos y de adsorción, pero la calidad de aire obtenido es
inferior a aquellos. Debe reponerse periódicamente la carga del producto químico empleado.
Pá gina 46
INSTALACIONES INDUSTRIALES
TRATAMIENTO DE AIRE
1) Recipiente
2) Agente delicuescente (cloruro de magnesio, cloruro de litio,
cloruro de calcio)
3) Purga
Normalmente reducen la humedad al 60-80 % respecto al flujo saturado de 100 % proveniente de un
pos-tenfriador aire-aire o aire-agua. Tienen el inconveniente de la contaminación con aceite de las
sustancias absorbentes o adsorbentes (caso anterior) disminuyendo su capacidad de secado. Tal
inconveniente no existe en el secado por refrigeración o frigorífico.
Separadores centrífugos
Se emplean cuando se persigue una separación a bajo costo. Funcionan haciendo pasar el aire
comprimido a travé s de un deflector direccional centrífugo, que establece en el aire un sentido de rotación
dentro de equipo, de modo de crear un fuerza centrífuga que obliga a las partículas líquidas e impurezas a
adherirse a la pared del separador, decantando en la parte inferior del mismo. Estas impurezas son luego
Pá gina 47
INSTALACIONES INDUSTRIALES
TRATAMIENTO DE AIRE
eliminadas por medio de una purga. Tienen el inconveniente que a bajos consumos la velocidad dentro
del separador es muy baja, siendo tambié n baja la fuerza centrífuga sobre las partículas, lo que disminuye
su eficiencia a caudales reducidos.
Tratamiento del aire en los puntos de utilización
Filtros
La utilización de los filtros en las bocas de utilización se hace indispensable, debiendo estar presente
en toda instalación correctamente concebida, aún cuando se haya hecho el tratamiento del aire a la salida
del compresor o del depósito. Éstos no impedirá n la llegada a los puntos de consumo de partículas de
óxido ni de pequeñas cantidades de condensado provenientes de las redes de distribución. Éstos, de no ser
retenidos tendrían acceso a los componentes neumá ticos con su consiguiente deterioro, aumento de los
costos de mantenimiento y en general bajo rendimiento del equipo. Un filtro de este tipo es mostrado en
la figura.
Pá gina 48
INSTALACIONES INDUSTRIALES
TRATAMIENTO DE AIRE
1: Deflector.
2: Elemento filtrante.
3: Plato de separación.
4: Envolvente.
5: Recubrimiento del envolvente.
6: Vá lvula de drenaje.
En realidad má s que un simple elemento, es la combinación de é ste con un separador centrífugo.
Consta esencialmente de un deflector centrífugo en su parte superior cuyo objeto es crear dentro del vaso
un movimiento ciclónico del aire de modo de crear un fuerza centrífuga que actuado sobre las pequeñas
gota de condensado y partículas obliguen a é stas a adherirse a las paredes del vaso, para depositarse luego
en su parte inferior en una zona de calma. Ésta es creada por una pantalla que impide la turbulencia del
aire por debajo de ella evitando a su vez que el movimiento ciclónico superior arrastre parte del
condensado. Una segunda pantalla evita que el aire proveniente del deflector centrífugo tome contacto
directo con el elemento filtrante y lo contamine, a la vez que prolonga el movimiento ciclónico del aire
dentro del vaso aumentando la efectividad del equipo.
Pá gina 49
INSTALACIONES INDUSTRIALES
TRATAMIENTO DE AIRE
En cuanto al elemento filtrante en sí, puede tratarse de filtros de carbón activado, malla metá lica, o
sinté tica o filtros cerá micos microscópicos sinterizados, destinados estos últimos a la eliminación de
partículas muy finas. Las capacidades de filtrado se expresan en micrones indicando el tamaño de la
mínima partícula capaz de retener y su elección dependerá de la calidad del requerido. Se presentan con
capacidades de filtrado que varían entre 5 y 50 micrones.
En cuanto al drenaje de los condensados del vaso podrá realizarse:
1) Manualmente
2) Automá ticamente:
•
Por flotador: un flotante permite la descarga cuando en el vaso se alcance el nivel
má ximo.
Pá gina 50
INSTALACIONES INDUSTRIALES
TRATAMIENTO DE AIRE
•
Por descenso de la presión: cuando la presión de la red cae al valor cero,
automá ticamente se descarga el condensado.
•
Servocomandado por acción piloto: cuando se suministra una presión piloto a la
vá lvula de descarga, é sta acciona drenando el condensado.
Reguladores de presió n
Normalmente las presiones de trabajo de los equipos neumá ticos son inferiores a las presiones de la
línea. Resultaría ademá s imposible trabajar en los mismo directamente con esta presión ya que no podría
evitarse que lleguen a los equipos las fluctuaciones de presión ente la má xima de parada o vacío y la
mínima de arranque del compresor. Ademá s, si un equipo es capaz de cumplir su función eficientemente
a una presión determinada, el hacerlo a una presión mayor sólo conduce a un incremento de consumo de
aire ya que é ste es función de la presión, con la consiguiente disminución de la rentabilidad del sistema.
Por otro lado ciertos equipos deberá n funcionar a baja presión, lo que implicaría trabajar con presiones de
líneas tambié n bajas con el consiguiente y nuevo deterioro de la rentabilidad, ya que un rendimiento
óptimo se logra para presiones de servicios entre 6 y 8 bar.
Las funciones del regulador de presión será n:
1.
Evitar las pulsaciones y fluctuaciones de presión provenientes del compresor.
2.
Mantener una presión de trabajo en los equipos sensiblemente constante e
independiente de la presión de la línea y del consumo.
3.
Evitar un excesivo consumo por utilizar presiones de operación mayores que las
necesarias en los equipos.
4.
independizar los distintos equipos instalados.
5.
Existen bá sicamente dos tipos de reguladores.
6.
Reguladores a membrana.
7.
Reguladores a pistón.
El accionamiento de los mismos podrá ser:
1.
De contacto directo: la acción del tornillo de regulación actúa directamente sobre
el resorte de contrapresión, con lo que el movimiento de dicho tornillo se toma
dificultoso, sobre todo en regulaciones de presiones elevadas, restá ndole
sensibilidad a la misma.
2.
De comando asistido: el tornillo de regulación actúa en forma indirecta sobre los
resorte, siendo asistido por la misma presión regulada actuante sobre el pistón o la
membrana. De este modo se obtiene un funcionamiento má s suave del tornillo de
regulación y mayor sensibilidad en el mismo, coma tambié n una mejor respuesta a
los cambios de presión (mejores características de regulación).
Pá gina 51
INSTALACIONES INDUSTRIALES
TRATAMIENTO DE AIRE
En un regulador, la presión de línea, que llamaremos primaria, penetra por la boca de entrada siendo
impedido su pasaje a la zona secundaria por una vá lvula de cierre, que se mantiene cerrada por acción de
un resorte.
Actuando ahora sobre la perilla de regulación se provocará un ascenso del tornillo que empujará la
vá lvula hacia arriba permitiendo al aire pasar a la zona de presión regulada, llamada secundaria. Esta
presión secundaria se comunicará a travé s de un pequeño orificio con la cara inferior del pistón
comprimié ndolo contra los resortes.
Esto provoca el descenso del tornillo de regulación y en consecuencia el cierre de la vá lvula,
manteniendo la presión secundaria constante. Se comprende fá cilmente que la presión dependerá del
grado de pre-tensión dados a los resortes a travé s de la perilla de regulación. Al consumir aire de la zona
secundaria, el pistón ascenderá junto con el tornillo, abrirá la vá lvula, permitiendo así el pasaje de aire y
restaurar la presión al nivel regulado.
Cuando se quiera disminuir la presión secundaria a un nivel má s bajo, girando la perilla de regulación,
se producirá un descenso del tornillo, despegá ndose del asiento central de la vá lvula de cierre y
permitiendo el pasaje del aire excedente a travé s del conducto de descarga hacia la parte superior,
venteando por los orificios de escape situados en la cá mara superior.
Esto es de gran importancia ya que no sólo permitirá el escape de aire en ese caso, sino tambié n
cuando se produzca una sobrecarga en la presión secundaria comportá ndose como vá lvula de seguridad.
Pá gina 52
INSTALACIONES INDUSTRIALES
TRATAMIENTO DE AIRE
La característica de funcionamiento y el campo de aplicación de estos equipos queda determinado a
travé s de dos grá ficos llamados respectivamente:
•
Característica de regulación
•
Característica de caudal
Lubricadores
La adecuada lubricación de las herramientas neumá ticas, cilindros, vá lvulas y demá s equipo
accionado por aire comprimido, evita el deterioro de los mismos provocado por la fricci ón y la corrosión,
aumentando notablemente su vida útil, reduciendo los costos de mantenimiento, tiempos de reparaciones
y repuestos.
Para lubricar herramientas y mecanismos neumá ticos, el mé todo má s lógico, eficiente y económico es
dosificar lubricante en el aire que acciona al sistema, atomizá ndolo y formando una micro niebla que es
arrastrada por el flujo de aire cubriendo las superficies internas de los componentes con una fina capa de
lubricante. Esta función es cubierta por los lubricadores, existiendo diversidad de formas constructivas,
pero siempre basados en el mismo principio.
En la figura siguiente se muestra el corte de un lubricador.
El aire que ingresa al lubricador es obligado por una pantalla deflectora a pasar en parte a travé s del
tubo Venturi situado en el centro del canal, de modo que aquel aumenta su velocidad produciendo por
efecto Venturi una disminución de presión en sección estrecha, donde está conectado el tubo de
dosificación. Estando el vaso presión a travé s de la vá lvula de presurización y debido al descenso de
presión provocado en el Venturi, el aceite ascenderá por el tubo de aspiración pasando por una vá lvula de
retención a bollilla que impide su retorno, desembocando luego en una vá lvula de aguja que regula el
goteo en el canal de dosificación. La gota al caer en este canal, es llevada al Venturi, donde por efecto de
la velocidad del aire se atomiza en forma de niebla y s arrastrada por la corriente hacia los componentes.
Pá gina 53
INSTALACIONES INDUSTRIALES
TRATAMIENTO DE AIRE
El aire comprimido es enriquecido con una niebla de aceite en cantidad dosificable proporcionalmente
al caudal de aire. El número de gotitas se regula con el tornillo de ajuste. En la prá ctica bastan de 1 a 12
gotitas por cada 1000 litros de aire.
Es importante que la atomización del aceite se produzca de tal forma que las gotitas transportadas por
el aire no se depositen por gravedad en las tuberías antes de llegar a los equipos a lubricar. Es necesario
regular el goteo contando las gota por unidad de tiempo a travé s del visor, a fin a fin acondicionarlo con
las necesidades del sistema. Una lubricación razonable deberá situarse entre 1 y 4 gotas por cada Nm3 de
aire consumido.
Conjuntos FRL
Está n compuestos bá sicamente por un filtro, un regulador y un lubricador, y constituyen una unidad
indispensable para el correcto funcionamiento de un sistema neumá tico. Se instala en la línea de
alimentación del circuito suministrando aire seco, limpio, lubricado y regulado a la presión requerida, es
decir en las óptimas condiciones de utilización. Los conjuntos FRL poseen en suma todas las
características funcionales y constructivas de los elementos que los constituyen.
Pá gina 54
INSTALACIONES INDUSTRIALES
TRATAMIENTO DE AIRE
Pá gina 55
INSTALACIONES INDUSTRIALES
TRATAMIENTO DE AIRE
Consideraciones sobre los conjuntos FRL
1.
Su elección se efectúa en función del caudal. Valen para este punto los caudales
determinados en las curvas características del regulador.
2.
La presión de alimentación no deberá superar las especificaciones de los fabricantes, ni
operarse a temperaturas superiores a las establecidas por los mismos.
3.
La instalación de estos conjuntos introduce una pé rdida de carga que será necesario
considerar. Ésta será en función de la presión de entrada y el caudal circulante. Un
excesivo caudal circulante introducirá tambié n una pé rdida de carga excesiva.
Pá gina 56
INSTALACIONES INDUSTRIALES
TRATAMIENTO DE AIRE
4.
Utilizar los aceites recomendados por el fabricante para el logro de una efectiva
lubricación. Aceites muy viscosos dificultan la correcta atomización con la consiguiente
deficiencia en la lubricación.
5.
Deberá n ser instalados lo má s cerca posible de los componentes neumá ticos a lubricar.
Grandes distancias implican la precipitación por gravedad en los conductos de las
partículas de aceites.
6.
La limpieza de los vasos del filtro y el lubricador cuando sean construidos por
policarbonatos, deberá hacerse siempre con agua jabonosa, nafta o kerosé n. Nunca
hacerlo con tricloroetileno, alcohol, thinner, tolueno, acetona o tetracloruro de carbono.
Recomendaciones para el correcto montaje de las unidades de FRL
1.
Al realizar el montaje debe tenerse en cuenta que el sentido del flujo coincida con el
sentido de las flechas grabadas generalmente sobro los elementos.
2.
Deben tenerse especial cuidado cuando se monten conexiones con roscas cónicas y
cañerías galvanizadas. Estas pueden producir la rotura del elemento cuando se apriete
excesivamente. Utilizar las conexiones adecuadas, verificando el tipo de rosca de
conexionado (BSPP, NPT, etc.).
3.
Al montar las cañerías, asegúrese que esté n limpias en su interior.
4.
Si se utiliza cinta de teflón para sellar las uniones roscadas, asegurarse que no quedan
restos dentro del tubo que puedan penetrar en el interior del elemento y alterar su buen
funcionamiento.
5.
Al montar las unidades, no olvide prever un espacio debajo del vaso del filtro, para
poder drenar el condensado dentro de un recipiente. Obsé rvese que el mismo no esté
ubicado sobre un tablero elé ctrico o electrónico.
6.
Cuando los filtros se encuentren ubicados en lugares poco accesibles o cuando la
necesidad de drenarlos puede pasar inadvertidas, se aconseja el empleo de drenajes
automá ticos.
7.
Cargue el lubricador con los aceites recomendados; un aceite incorrecto puede producir
el deterioro del las guarniciones de los componentes neumá ticos. Si el aceite no tiene la
viscosidad adecuada, puede dificultar la aspiración del mismo y no obtenerse el efecto
de lubricación deseado.
Pá gina 57
DISTRIBUCIÓ
N DE AIRE
INSTALACIONES INDUSTRIALES
DISTRIBUCIÓ N DE AIRE
Instalación típica
Redes de distribución
El trazado de é sta se realizará considerando:
1.
Ubicación de los puntos de consumo.
2.
Ubicación de las má quinas.
3.
Configuración del edificio.
4.
Actividades dentro de la planta industrial.
Y teniendo en cuanta los siguientes principios:
a.
Trazado de la tubería de modo de elegir los recorridos má s cortos t tratando que en general sea lo
má s recta posible, evitando los cambios bruscos de dirección, las reducciones de sección, las
curvas, las piezas en T, etc., con el objeto de producir una menor pé rdida de carga.
b.
En lo posible tratar que el montaje de la misma sea aé reo, esto facilita la inspección y el
mantenimiento. Evitar las cañerías subterrá neas, pues no son prá cticas en ningún sentido.
c.
En el montaje contemplar que puedan desarrollarse variaciones de longitud producidas por la
dilatación té rmica, sin deformaciones ni tensiones.
d.
Evitar que la tubería se entremezcle con conducciones elé ctricas, de vapor, gas u otras.
e.
Dimensionar generosamente las mismas para atender una futura demanda sin excesiva pé rdida
de carga.
f.
Inclinar las tuberías ligeramente (2 a 3%) en el sentido del flujo de aire y colocar en los extremos
bajos, ramales de bajadas con purga manual o automá tica. Esto evita la acumulación de
condensado en las líneas.
Pá gina 59
INSTALACIONES INDUSTRIALES
DISTRIBUCIÓ N DE AIRE
g.
Colocar vá lvulas de paso en los ramales principales y secundarios. Esto facilita la reparación y
mantenimiento sin poner fuera de servicio toda la instalación.
h.
Las tomas de aire de servicio o bajantes nunca deben hacerse desde la parte inferior de la tubería
sino por la parte superior a fin de evitar condensados que puedan ser recogidos por é stas y
llevados a los equipos neumá ticos conectados a la misma.
i.
Las tomas y las conexiones en las bajantes se realizará n lateralmente colocando en su parte
inferior un grifo de purga o un drenaje automá tico.
j.
Atender las necesidades de tratamiento del aire, viendo si es necesario un secado total o sólo
parcial del aire.
k.
Prever la utilización de filtros, reguladores y lubricadores (FRL) en las tomas de servicios.
Considerando los puntos anteriores, el tendido de la red podrá hacerse según dos disposiciones
diferentes:
a.
En circuito cerrado o abierto cuando se le hago tratamiento de secado al aire a la salida del
compresor.
b.
En circuito abierto o cerrado cuando no se haga tal tratamiento.
Pá gina 60
INSTALACIONES INDUSTRIALES
DISTRIBUCIÓ N DE AIRE
Es de mencionar que cuando el circuito es cerrado la pendiente en los conductos es nula puesto que es
incierto el sentido de circulación, ya que é ste dependerá de los consumos y por lo tanto la pendiente
carece de sentido. Por tal razón sólo se utiliza el circuito cerrado cuando se trata el aire a la salida del
compresor con equipos secadores.
Pá gina 61
INSTALACIONES INDUSTRIALES
DISTRIBUCIÓ N DE AIRE
Cá lculos de las tuberías
1.
Tubería principal: es aquella que sale del deposito y conduce la totalidad del caudal del aire
comprimido. Velocidad má xima recomendada 8 m/s.
2.
Tubería secundaria: son aquellas que se derivan de la principal, se distribuyen por las á reas de
trabajo y de la cual se desprenden las tuberías de servicio. Velocidad má xima recomendada 10
a15 m/s.
Pá gina 62
INSTALACIONES INDUSTRIALES
3.
DISTRIBUCIÓ N DE AIRE
Tuberías de servicio: se desprenden de las secundarias y son las que alimentan a los equipos
neumá ticos. Velocidad má xima recomendada 15 a 20 m/s.
Para su cá lculo será necesario tener en cuenta:
a.
La presión de servicio.
b.
El caudal en Nm3/min.
c.
La pé rdidas de carga: é sta es una pé rdida de energía que se va originando en el aire comprimido
ante los diferentes obstá culos que se presentan en su recorrido hacia los puntos de utilización. La
pé rdida de carga admisible en las bocas de utilización no debe ser mayor que el 3% de la presión
má xima del depósito.
La pé rdida de presión o de carga se origina de dos maneras:
1.
Pé rdida de carga en los tramos rectos producida por el rozamiento del aire comprimi do contra las
paredes del tubo.
2.
Pé rdida de carga en accesorios en curvas, T, vá lvulas, etc. de la tubería.
Las primeras pueden ser calculadas con la siguiente fórmula:
2
β
 v 
∆p =  × T  ×   × L × p
R
 D
Donde:
Δ p = caída de presión (bar)
P = presión de trabajo (bar)
R = constante del gas = 29,27 para el aire
T = temperatura absoluta
D = diá metro interior de la tubería (mm)
L = longitud del tramo recto (m)
v = velocidad del aire
β = índice de resistencia que depende de la rugosidad del tubo y del caudal circulante
Dicha fórmula se encuentra resuelta en el siguiente grá fico:
Pá gina 63
INSTALACIONES INDUSTRIALES
DISTRIBUCIÓ N DE AIRE
Las segundas las evaluaremos a travé s del concepto de longitud equivalente. Es decir igualamos la
pé rdida en el accesorio con la pé rdida de carga producida en un tramo recto de cañería de longitud igual a
la longitud equivalente del accesorio. Esta longitud deberá ser sumada a la longitud original (L) del tramo
recto.
La tabla siguiente muestra la longitud equivalente de diversos accesorios de cañerías en función del
diá metro.
Pérdidas de carga por fricció n en accesorios de tuberías
Valores equivalentes en metros de cañería recta
Accesorios
1/4"
3/8"
1/2"
3/4"
1"
11/4"
11/2"
2"
Vá lvula esclusa
(abierta)
0.09
0.09
0.1
0.13
0.17
0.22
0.26
0.33
T (paso recto)
0.15
0.15
0.21
0.33
0.45
0.54
.067
0.91
T (paso a derivación)
0.76
0.76
1
1.28
1.61
2.13
2.46
3.16
Curva 90º
0.42
0.42
0.52
0.64
0.79
1.06
1.24
1.58
Curva 45º
0.15
0.15
0.23
0.29
0.37
0.48
0.57
0.73
Vá lvula globo (abierta)
4.26
4.26
5.66
7.04
8.96
11.76
13.77
17.67
Vá lvula angular
(abierta)
2.43
2.43
2.83
3.50
4.48
5.88
6.88
8.83
Pá gina 64
CÁ LCULO DE UNA INSTALACIÓ
N
INSTALACIONES INDUSTRIALES
CÁLCULO DE UNA INSTALACIÓ N
Cálculo de los consumos
Herramientas y má quinas neumá ticas
El consumo en Nm3/min es suministrado por los fabricantes de los equipos en cada caso en particular,
en la siguiente tabla tenemos valores de consumo de un gran número de má quinas y herramientas.
CONSUMO
TIPO DE MÁ QUINA O HERRAMIENTA
[Nm3/min]
Martillos, servicio ligero.
0,16
Martillos de cincelar y calafatear ligero.
0,28/0,45
Martillos de cincelar y calafatear medio / pesado.
0,65/0,73
Martillo remachador ligero.
0,22/0,33
Martillo remachador diá metro remache ½”
0,56/0,67
Martillo remachador diá metro remache 1”
0,84
Martillo remachador diá metro remache 1 ¼”
0,89
Prensa remaches.
0,3
Martillo cincelador.
0,16/0,22
Martillo para sacar machos de fundición.
0,65/0,97
Pisón, moldeo a mano, tipo banco.
0,33
Pisón, moldeo a mano, ligero 5,7 kg.
0,4/0,6
Pisón, moldeo a mano, mediano 9 kg.
0,62
Pisón, moldeo a mano, pesado 10/16 kg.
0,78/0,84
Desincrustador (vibrado de machos).
0,2
Taladros hasta ¼” (6 mm) de diá metro.
0,195
Taladros hasta ¼” (mayor potencia).
0,275
Taladros hasta ⅜” (10 mm) de diá metro.
0,45
Taladros ½” de diá metro en acero.
0,56
Taladros ⅞ ” de diá metro en acero.
1,13/1,27
Taladros 1 ¼” de diá metro en acero.
1,41/1,69
Taladros 1 ½” de diá metro en acero.
1,41/1,69
Taladros 2” de diá metro en acero.
1,41/1,69
Atornilladores, no reversibles, hasta ¼” de diá metro.
0,195
Atornilladores, reversibles, hasta ¼” de diá metro.
0,3
Atornilladores 8 mm de diá metro.
0,35
Roscadora hasta ⅜” de diá metro.
0,35
Pá gina 66
INSTALACIONES INDUSTRIALES
CÁLCULO DE UNA INSTALACIÓ N
Amoladora diá metro de muela 2 ½” x ⅜” .
0,42
Amoladora diá metro de muela 4” x 1” .
0,7/0,84
Amoladora diá metro de muela 6” x 1” .
0,99/1,13
Amoladora diá metro de muela 8” x 1” .
1,27
Esmeriladora muelas disco (diá metro 130/127 mm).
1,25
Esmeriladora muelas disco (diá metro 178/178 mm).
2,4
Esmeriladora muelas disco (diá metro 235/235 mm).
3,2
Pulidoras, diá metro del disco de pulir 125 mm.
0,3
Pulidoras, diá metro del disco de pulir 80/127/152 mm.
0,65
Má quina para fresar ranuras, muela de diá metro 178/235 mm. 2,4/3,2
Llaves de impacto con á rbol cuadrado ⅜” .
0,3
Llaves de impacto con á rbol cuadrado ½” .
0,5
Llaves de impacto con á rbol cuadrado ¾ ” - ½” .
0,9/1,5
Llaves de impacto con á rbol cuadrado 1 ½” – 2 ½” .
1,8
Fresadoras radiales, diá metro de la fresa 10/12 mm.
0,3/0,4
Fresadoras de á ngulo, diá metro de la fresa 12/15 mm.
0,3/0,4
Llaves de carraca, cabezal cerrado M 7 / M 12.
0,4
Llaves de carraca, cabezal abierto M 10 / M 16.
0,4
Sierras para aluminio, plá sticos, hasta 15/40 mm.
0,9/2,7
Cizalla, espesor chapa 3,5 mm A o, 4 mm Aluminio.
0,9
Cizalla, espesor chapa 6 mm Ao, 6 mm Aluminio.
2,7
Motores neumá ticos 0,45 CV.
0,5
Motores neumá ticos 1 CV.
0,875
Motores neumá ticos 1,4 CV.
1,2
Bomba neumá tica
2,26/2,4
Elevador neumá tico, carga en kg 55/454
0,06/0,35
Pistoleta soplante
0,15
Pistola de pintar
0,15
Pá gina 67
CÁLCULO DE UNA INSTALACIÓ N
INSTALACIONES INDUSTRIALES
Plano y datos de la instalació n
18,8
9,4 mm
Compresor
Atornilladores,
reversibles, hasta
¼ " de diámetro
Taladros 1 ¼ "
de diámetro
en acero
15,6
7,8 m
Amoladora diámetro
de muela 8" x 1" y
pistoleta soplante
Esmeriladora muelas
disco (diámetro 178 mm)
Roscadora
hasta 3/8" de
diámetro
Post-enfriador
Aire-Aire
10,6
5,30 m
Taladros hasta 3/8"
(10 mm) de diámetro
Secador
Frigorífico
14,8
7,4 mm
Depó sito
8,7 mm
4,35
Calculo del consumo de la instalació n
CONSUMO
HERRAMIENTA
Amoladora diá metro
muela 8” x 1”
[Nm3/min]
de
COEFICIENTE
PRODUCTO DEL CONSUMO
DE
POR EL COEFICIENTE DE
UTILIZACIÓ N
UTILIZACIÓ N
1,27
0,4
0,508
0,15
0,10
0,015
Atornilladores, reversibles,
hasta ¼” de diá metro
0,3
0,25
0,075
Taladros 1 ¼” de diá metro
en acero
1,69
0,25
0,4225
Esmeriladora muelas disco
(diá metro 178 mm)
2,4
0,4
0,96
0,35
0,3
0,105
0,45
0,25
0,1125
Total
2,198 Nm3/min
Pistoleta soplante
Roscadora
diá metro
hasta
⅜”
de
Taladros hasta ⅜” (10 mm)
de diá metro
A este valor de consumo le adicionamos un 10% por pé rdidas en la línea.
Consumo = 2,198
Nm 3
Nm 3
Nm 3
+ 2,198 × 0,10
= 2,4178
min
min
min
Pá gina 68
CÁLCULO DE UNA INSTALACIÓ N
INSTALACIONES INDUSTRIALES
Para compensar futuros aumentos del consumo por ampliaciones de la planta tomamos un 40% del
consumo calculado anteriormente.
Consumo = 2,4178
Nm 3
Nm 3
Nm 3
+ 2,4178 × 0,40
= 3,4692
min
min
min
Como el compresor no se utilizará en servicio continuo, sino que operará en forma intermitente solo el
70% del tiempo el compresor deberá entregar el siguiente caudal:
Nm 3
3,4692
3
min = 4,956 Nm
Consumo =
0,7
min
Qcompresor ≅ 5
Nm 3
Nm 3
≅ 300
min
h
El compresor debe entregar 300 Nm 3/h a una presión de 10 bar. En el siguiente grá fico ubicamos que
tipo de compresor utilizamos:
El punto de funcionamiento se ubica en la zona de los compresores alternativos a pistó n.
Cá lculo del tanque pulmó n
Datos:
•
Qcompresor = 5 Nm3/min
•
Presión de fluctuación = 1 bar
Pá gina 69
INSTALACIONES INDUSTRIALES
•
CÁLCULO DE UNA INSTALACIÓ N
Cantidad de veces que entra en operación por hora = 20 veces/h
Con el siguiente grá fico sacamos el volumen del depósito:
El volumen hallado del depósito es de 3,8 m3.
Elecció n del equipo secador por refrigeració n
Estos dos equipos se seleccionan con los valores de caudal, presión y las condiciones de entrada del
aire a cada uno de los equipos.
Con estos valores se entra los catá logos de los fabricantes para ubicar el equipo que mejor se ajusta a
las características de la instalación.
En la siguiente tabla ubicamos el equipo secador que requerimos para nuestra instalación.
Pá gina 70
INSTALACIONES INDUSTRIALES
CÁLCULO DE UNA INSTALACIÓ N
Nota
1. Los datos está n referidos al rendimiento del aire liberado del compresor (a la aspiración de 20 °C y 1 bar) y en
las siguientes condiciones de trabajo:
•
punto de rocío a presión 3 °C.
•
punto de rocío a presión atmosfé rica -21 °C.
•
presión de servicio 7 bar.
•
temperatura ambiente 25 °C.
•
condiciones conforme a la norma ISO 7183
2. Potencia absorbida a la red elé ctrica en las condiciones normales de funcionamiento.
3. Potencia absorbida a la red elé ctrica en condiciones extremas de funcionamiento, es decir, temperatura má xima
ambiente 43 °C, punto de rocío 10 °C.
4. Peso de expedición.
Pá gina 71
INSTALACIONES INDUSTRIALES
CÁLCULO DE UNA INSTALACIÓ N
El caudal requerido es de 300 Nm 3/h con una temperatura de entrada de 35 oC de la tabla
seleccionamos el modelo DE 107 con refrigerante R22, que es el inmediato superior que cumple dichos
requerimientos.
Cá lculo del diá metro de la tubería principal y secundaria
Línea principal
Datos:
•
L = 20 m
•
7 codos de 90 o
•
4 vá lvulas esfé ricas
•
Δ p = 0,15 bar
Sacamos primero un diá metro auxiliar teniendo en cuenta solamente la longitud L.
El diá metro obtenido del grá fico es 32 mm. Con este valor obtenemos la pé rdida de carga para los
accesorios de ese diá metro.
Pá gina 72
CÁLCULO DE UNA INSTALACIÓ N
INSTALACIONES INDUSTRIALES
DIÁMETRO
AUXILIAR [mm]
ACCESORIO
32
Vá lvula Esfé rica
32
LONGITUD
EQUIVALENTE
Curva de 90
0
[m]
CANTIDAD
LONGITUD
EQUIVALENTE
0,4
4
1,6
1,8
7
12,6
Longitud equivalente total
14,2
La longitud total del cá lculo es la suma de L má s la longitud equivalente:
Ltotal = L + Lequivalente = 20 m + 14,2 m = 34,2 m
Con este valor volvemos al grá fico que permite calcular el diá metro y obtenemos el diá metro
definitivo.
Pá gina 73
[m]
INSTALACIONES INDUSTRIALES
CÁLCULO DE UNA INSTALACIÓ N
El diá metro final hallado es de 35 mm. El diá metro comercial inmediatamente superior que cumple
con esto es de 1 ½” .
Línea secundaria
Calculamos solamente el diá metro correspondiente a la línea secundaria de mayor longitud que a su
vez es la que posee un consumo de 140 Nm 3/h. La otra línea tendrá el mismo diá metro que el que
hallaremos a continuación.
Datos:
•
L = 34,4 m
•
3 codos de 90 o
•
4 vá lvulas esfé ricas
•
Δ p = 0,15 bar
Pá gina 74
CÁLCULO DE UNA INSTALACIÓ N
INSTALACIONES INDUSTRIALES
Sacamos primero un diá metro auxiliar teniendo en cuenta solamente la longitud L.
El diá metro obtenido del grá fico es 25 mm. Con este valor obtenemos la pé rdida de carga para los
accesorios de ese diá metro.
DIÁMETRO
AUXILIAR [mm]
ACCESORIO
LONGITUD
25
Vá lvula Esfé rica
0,3
4
1,2
25
Curva de 900
1,3
3
3,9
EQUIVALENTE
[m]
CANTIDAD
LONGITUD
EQUIVALENTE
Longitud equivalente total
5,1
La longitud total del cá lculo es la suma de L má s la longitud equivalente:
Ltotal = L + Lequivalente = 34,4 m + 5,1 m = 39,5 m
Con este valor volvemos al grá fico que permite calcular el diá metro y obtenemos el diá metro
definitivo.
El diá metro final hallado es de 28 mm. El diá metro comercial inmediatamente superior que cumple
con esto es de 1 ¼” .
La calidad de la tubería no es exigente por lo que se pueden utilizar tranquilamente materiales del
rango del A120. El problema de la corrosión no es un factor importante en la línea secundaria, por el
tratamiento previo de deshumidificación en la línea principal.
Cá lculo del espesor mínimo de la pared de la cañería
Línea principal
Para el cá lculo del espesor mínimo utilizamos la fórmula de la norma ANSI B31.3:
t min =
p×D
+C
2(Sh × E + p × Y )
•
El diá metro exterior D para un diá metro nominal de 1 ½ ” en [cm] es D = 4,826 cm.
•
La presión de trabajo es de 10 kg/cm2 (10 bar).
•
La tensión admisible Sh para cañerías sin costura del material A120 hasta una temperatura de
trabajo de 100 o F (aproximadamente 38 o C) es de 12000 psi (830 kg/cm2).
•
El coeficiente E se toma 1 para caños sin costura.
•
El coeficiente Y es 0,4 para caños de acero al carbono y temperaturas hasta 480 oC
•
El factor C de sobreespesor por corrosión, se toma C = 1,6 mm para una vida útil de 15 años.
kg
× 4,826cm
cm 2
=
+ 0,16cm
kg
kg


2 ×  830 2 × 1 + 10 2 × 0,4 
cm
cm


= 0,189cm = 1,89mm
10
t min
t min
Para tener una aproximación de que schedule tenemos que utilizar realizamos el siguiente cá lculo:
Pá gina 75
[m]
CÁLCULO DE UNA INSTALACIÓ N
INSTALACIONES INDUSTRIALES
Sch = 1000 ×
p
Sh
kg
cm 2
Sch = 1000 ×
kg
830 2
cm
Sch ≅ 12
10
Es conveniente elegir el schedule inmediato superior Sch 40. Los espesores de pared para el de Sch 40
es de 3,683 mm. A este espesor nominal se lo debe multiplicar por 0,875 para tener en cuenta la
tolerancia de ±12,5%.
t = 0,875 × t no min al
t = 0,875 × 3,683mm = 3,222mm
Línea secundaria
Para el cá lculo del espesor mínimo utilizamos la fórmula de la norma ANSI B31.3:
t min =
p×D
+C
2(Sh × E + p × Y )
•
El diá metro exterior D para un diá metro nominal de 1 1/4 ” en [cm] es D = 4,2164 cm.
•
La presión de trabajo es de 10 kg/cm2 (10 bar).
•
La tensión admisible Sh para cañerías sin costura del material A120 hasta una temperatura de
trabajo de 100 o F (aproximadamente 38 o C) es de 12000 psi (830 kg/cm2).
•
El coeficiente E se toma 1 para caños sin costura.
•
El coeficiente Y es 0,4 para caños de acero al carbono y temperaturas hasta 480 oC
•
El factor C de sobreespesor por corrosión, se toma C = 1,6 mm para una vida útil de 15 años.
kg
× 4,2164cm
cm 2
+ 0,16cm
=
kg
kg


2 ×  830 2 × 1 + 10 2 × 0,4 
cm
cm


= 0,185cm = 1,85mm
10
t min
t min
Para tener una aproximación de que schedule tenemos que utilizar realizamos el siguiente cá lculo:
Sch = 1000 ×
p
Sh
kg
cm 2
Sch = 1000 ×
kg
830 2
cm
Sch ≅ 12
10
Pá gina 76
CÁLCULO DE UNA INSTALACIÓ N
INSTALACIONES INDUSTRIALES
Es conveniente elegir el schedule inmediato superior Sch 40. Los espesores de pared para el de Sch 40
es de 3,556 mm. A este espesor nominal se lo debe multiplicar por 0,875 para tener en cuenta la
tolerancia de ±12,5%.
t = 0,875 × t no min al
t = 0,875 × 3,556mm = 3,111mm
Tratamiento en los puntos de consumo
En los puntos de consumo utilizamos unidades de mantenimiento FRL, dos unidades, una para la
bajada de cada línea secundaria.
Cada unidad FRL deberá hacerse cargo de la mitad del caudal de la instalación. Para ingresar a la
tabla del fabricante debemos tener el caudal necesario en Nl/min en nuestro caso son 2500 Nl/min.
Las características de la unidad seleccionada son las siguientes:
Tipo:
Denominación de artículo:
FRL-3/4-D-MIDI
Unidad de mantenimiento
Características
Propiedad
Estructura modular
sí
Presión de entrada I mín.
1 bar
Presión de entrada I máx.
16 bar
Presión de salida II mín.
0,5 bar
Presión de salida II máx.
12 bar
Conexión I tipo de rosca
G
Diámetro de la rosca (pulg.)
3/4 inch
Conexión II tipo de rosca
G
Diámetro de la rosca (pulg.)
3/4 inch
Tipo de fijación
Escuadra
Longitud (horizontal)
140 mm
Altura (vertical)
265 mm
Profundidad
94,5 mm
Altura de conexión
98 mm
Temperatura ambiente mín.
-10o C
Temperatura ambiente máx.
60o C
Temperatura del fluido mín.
-10o C
Temperatura del fluido máx.
60o C
Caudal mínimo para función de
8 l/min
lubricador
Cantidad máx. de aceite
110 cm3
Malla del filtro
40 μm
Cantidad máx. de agua de
43 cm3
condensación
Técnica de purga de agua condensada manual con empuje
Criterio LABS
libre
Caudal nominal I-II
2600 l/min
Fluido entrada
Aire comprimido
Aire comprimido
Fluido salida II
filtrado (40 μm)lubricado
Pá gina 77
CÁLCULO DE UNA INSTALACIÓ N
INSTALACIONES INDUSTRIALES
Imagen del producto seleccionado
Cá lculo del condensado de la instalació n
Compresor
•
Refrigerador
•
Depósito
•
Separador
•
Secador frigorífico
Aire
atmosfé rico
1
2
Compresor
4
Refrigerador
6
8
Separador
Secador
•
Depó sito
La instalación consta de los siguientes equipos conectados en serie y en el siguiente orden:
10
Red de
distribució n
7
3
9
5
Datos a considerar
Condiciones del aire atmosférico aspirado
Pá gina 78
CÁLCULO DE UNA INSTALACIÓ N
INSTALACIONES INDUSTRIALES
Humedad relativa: 80%
Temperatura: 20 °C
Compresor
Caudal de aire producido: 5 Nm3/min
Temperatura del aire de salida del compresor: 150 °C
Compresor de una etapa o sin condensación en etapa intermedia.
Ré gimen de servicio en carga: X = 85%
Refrigerador
Temperatura de salida del aire: 25 °C
Eficiencia del separador: 70%
Depósito
Eficacia de separación: 50%
Separador
Eficacia de separación: 100%
Secador frigorífico
Temperatura de salida del aire comprimido: 20 °C
Temperatura de entrada del aire comprimido: 35 °C
Presión de servicio: 10 bar
Punto de rocióa presión: 2 °C
Eficacia de separación: 100%
Se supondrá que la presión es de 10 bar a lo largo de toda la instalación, y que la temperatura del aire
comprimido del refrigerador se mantendrá constante hasta la entrada al secador.
Cá lculo en los puntos
PUNTO 1. Condiciones de aspiración
Para calcular la humedad de saturación utilizamos la tabla de humedad de saturación. Entrando en la
tabla con 1 ATA y 20 °C tenemos.
Ws1 = 14,71
g va
kg as
W1 = Wr × Ws = 0,8 ×14,71
g va
g
= 11,76 va
kg as
kg as
Para calcular la temperatura del punto de rocío entramos a la tabla con 1 ATA y localizamos la
temperatura en que los 11,76g/kg saturan el ambiente, interpolando tenemos.
Pá gina 79
CÁLCULO DE UNA INSTALACIÓ N
INSTALACIONES INDUSTRIALES
Tr f 1 = 16,5o C
Tri1 = 16,5o C
El porcentaje de humedad sobre la humedad inicial de aspiración es:
ω1 = 100%
PUNTO 2. Salida del compresor y entrada al refrigerador
Calculamos la humedad de saturación con la siguiente ecuación.
pva  g va 


p − pva  kg as 
de tabla con t = 150 o C tenemos pva = 3570mmHg
Ws = 625 ×
mmHg
= 8261,2mmHg
ATA
g
3570
Ws 2 = 625 ×
= 475,5 va
kg as
8261,2 − 3570
p = 10,87 ATA × 760
Como W2
Wr2 =
= W1=11,76 g/kg
W2
11,76
× 100 =
× 100 = 2,47%
Ws 2
475,5
Para calcular la temperatura final del punto de rocío entramos en el diagrama psicromé trico con la
presión de línea y 11,76 g/kg:
Tr f 2 = 60 o C
Como la temperatura del punto de rocío final en 1 es igual a la inicial en 2 tenemos:
Tri 2 = 16,5o C
El porcentaje de humedad sobre la inicial de aspiración es:
ω2 = 100%
PUNTO 3. Salida de condensados del refrigerador
Se calculan los condensados producidos por la refrigeración de:
Ws 4 = W4 = 625 ×
g
23,756
= 1,8 va
8261,2 − 23,756
kg as
Para calcular el caudal de condensado en l/h se utiliza la siguiente ecuación. Donde C es el
condensado que está compuesto por los separados L má s los arrastrados A.
Pá gina 80
CÁLCULO DE UNA INSTALACIÓ N
INSTALACIONES INDUSTRIALES
C = L+ A
C = 7,2 × 10 −4 × X × Qcompresor (Wi − W f )
C3 = 7,2 × 10 −4 × 85 × 5 × (11,76 − 1,8) = 3,047
C `3 = 11,76
l
h
g va
g
g
− 1,8 va = 9,96 va
kg as
kg as
kg as
El caudal de condensado que realmente se eliminan se puede calcular por:
L3 =
L`3 =
C3 × Erefrig
100
C `3 ×Erefrig
100
l
3,047 × 70
= 2,13
h
100
g
9,96 × 70
=
= 6,97 va
kg as
100
=
El porcentaje de condensados separados respecto a la humedad inicial de aspiraci ón es:
l3 =
L`3
6,97
× 100 =
× 100 = 59,26%
11,76
W1
PUNTO 4. Salida del refrigerador y entrada al depósito
Ws 4 = W4 = 1,8
g va
kg as
La humedad relativa en el punto 4 es
Wr4 = 100%
El arrastre se puede calcular por:
A4 = C3 − L3
l
l
l
− 2,13 = 0,917
h
h
h
g
g
g
A`4 = C `3 − L`3 = 9,96 va − 6,97 va = 2,99 va
kg as
kg as
kg as
A4 = 3,047
El porcentaje de humedad sobre la inicial de aspiración es:
ω4 =
W4
1,8
× 100 =
× 100 = 15,3%
W1
11,76
El porcentaje de arrastres líquidos sobre la humedad inicial de aspiración es:
a4 =
A`4
2,99
× 100 =
× 100 = 25,42%
W1
11,76
Para calcular la temperatura final del punto de rocío entramos en el diagrama psicromé trico con la
presión de línea y
W4 + A`4 = 1,8
g va
g
g
+ 2,99 va = 4,97 va
kg as
kg as
kg as
Tr f 4 = 44 o C
Pá gina 81
CÁLCULO DE UNA INSTALACIÓ N
INSTALACIONES INDUSTRIALES
Para calcular la temperatura inicial del punto de rocío entramos en el diagrama psicromé trico con la
presión atmosfé rica y 4,97 g/kg:
Tri 4 = 4 o C
PUNTO 5. Salida de condensados del depósito
El caudal de condensado que realmente se eliminan en este punto es:
A4 × E separación
L5 =
L`5 =
100
A`4 × Eseparación
100
l
0,917 × 50
= 0,458
h
100
g
2,99 × 50
=
= 1,49 va
kg as
100
=
El porcentaje de condensados separados respecto a la humedad inicial de aspiración es:
l5 =
L`5
1,49
× 100 =
× 100 = 12,67%
11,76
W1
PUNTO 6. Salida del depósito y entrada al separador
Como tenemos la misma humedad que en el punto 4:
W6 = 1,8
g va
kg as
Ws 6 = 1,8
g va
kg as
Wr6 = 100%
Calculamos el arrastre en este punto:
A6 =
A`6 =
A4 × E separación
100
A`4 × E separación
100
0,917 × 50
l
= 0,45
100
h
g
2,99 × 50
=
= 1,49 va
100
kg as
=
El porcentaje de humedad sobre la inicial de aspiración es:
ω6 =
W6
1,8
×100 =
× 100 = 15,3%
W1
11,76
El porcentaje de arrastres líquidos sobre la humedad inicial de aspiración es:
a6 =
A`6
1,49
× 100 =
× 100 = 12,67%
W1
11,76
Para calcular la temperatura final del punto de rocío entramos en el diagrama psicromé trico con la
presión de línea y
W6 + A`6 = 1,8
g va
g
g
+ 1,49 va = 3,29 va
kg as
kg as
kg as
Tr f 6 = 35o C
Pá gina 82
CÁLCULO DE UNA INSTALACIÓ N
INSTALACIONES INDUSTRIALES
Para calcular la temperatura inicial del punto de rocío entramos en el diagrama psicromé trico con la
presión atmosfé rica y 3,29 g/kg:
Tri 6 = −2 o C
PUNTO 7. Salida de condensados del separador
A6 × E separación
L7 =
L`7 =
100
A`6 × E separación
100
l
0,45 ×100
= 0,45
h
100
g
1,49 × 100
=
= 1,49 va
kg as
100
=
El porcentaje de condensados separados respecto a la humedad inicial de aspiraci ón es:
l7 =
L`7
1,49
× 100 =
× 100 = 12,67%
11,76
W1
PUNTO 8. Salida del separador y entrada al secador frigorífico
Como tenemos la misma humedad que en el punto 4:
W8 = 1,8
g va
kg as
Ws8 = 1,8
g va
kg as
Wr8 = 100%
Como la eficacia del separador es del 100%, no hay arrastres
A8 = 0
A`8 = 0
El porcentaje de humedad sobre la inicial de aspiración es:
ω8 =
W7
1,8
× 100 =
× 100 = 15,3%
W1
11,76
El porcentaje de arrastres líquidos sobre la humedad inicial de aspiración es:
a8 =
A`8
× 100 = 0
W1
Para calcular la temperatura final del punto de rocío entramos en el diagrama psicromé trico con la
presión de línea y
W8 + A`8 = 1,8
g va
g
+ 0 = 1,8 va
kg as
kg as
Tr f 8 = 25o C
Para calcular la temperatura inicial del punto de rocío entramos en el diagrama psicromé trico con la
presión atmosfé rica y 1,8 g/kg:
Tri 8 = −9 o C
Pá gina 83
CÁLCULO DE UNA INSTALACIÓ N
INSTALACIONES INDUSTRIALES
PUNTO 9. Salida de condensados del secador frigorífico
Primero calculamos los condensados producidos por la refrigeración. Del diagrama psicromé trico con
la presión de línea y Trf 10 = 2
W10 = 0,4
°C sacamos:
g va
kg as
Para calcular el caudal de condensado en l/h se utiliza la siguiente ecuación.
C9 = 7,2 × 10 −4 × X × Qcompresor (W4 − W10 )
C9 = 7,2 × 10 − 4 × 85 × 5 × (1,8 − 0,4) = 0,428
C `9 = 1,8
l
h
g va
g
g
− 0,4 va = 1,4 va
kg as
kg as
kg as
El caudal de condensado que realmente se eliminan se puede calcular por:
C9 × Erefrig
L9 =
L`9 =
100
C `9 × Erefrig
100
l
0,428 × 100
= 0,428
h
100
g
1,4 × 100
=
= 1,4 va
100
kg as
=
El porcentaje de condensados separados respecto a la humedad inicial de aspiraci ón es:
l9 =
L`9
1,4
× 100 =
× 100 = 11,9%
W1
11,76
PUNTO 10. Salida de aire comprimido del secador frigorífico
W10 = 0,4
g va
kg as
Con la presión de línea y 20 °C sacamos la humedad de saturación:
Ws10 = 1,4
g va
kg as
Calculamos la humedad relativa:
Wr10 =
W10
0,4
× 100 =
× 100 = 28,57%
1,4
Ws10
Como la eficacia del secador frigorífico es del 100%, no hay arrastres, lo que significa que el aire es
seco.
A10 = 0
A`10 = 0
El porcentaje de humedad sobre la inicial de aspiración es:
Pá gina 84
INSTALACIONES INDUSTRIALES
ω10 =
CÁLCULO DE UNA INSTALACIÓ N
W10
0,4
× 100 =
× 100 = 3,4%
11,76
W1
El porcentaje de arrastres líquidos sobre la humedad inicial de aspiración es:
a10 =
A`10
× 100 = 0
W1
Para calcular la temperatura inicial del punto de rocío entramos en el diagrama psicromé trico con la
presión atmosfé rica y 0,4 g/kg:
Tri10 = −25o C
Pá gina 85
CÁLCULO DE UNA INSTALACIÓ N
INSTALACIONES INDUSTRIALES
Puntos
Tabla de recopilación de los resultados del cá lculo
W
Ws
gva/kgas gva/kgas
Wr
T
Trf
Tri
A
A`
ω
a
L
L`
l
%
°C
°C
°C
l/h
gva/kgas
%
%
l/h
gva/kgas
%
11,76
14,71
80
20
16,5
16,5
-
-
100
0
-
-
-
2
11,76
475,5
2,47
150
60
16,5
-
-
100
0
-
-
-
3
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
2,13
6,97
59,26
4
1,8
1,8
100
25
44
4
0,917
2,99
15,3
25,42
-
-
-
5
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
0,458
1,49
12,67
6
1,8
1,8
100
25
35
-2
0,45
1,49
15,3
12,67
-
-
-
7
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
0,45
1,49
12,67
8
1,8
1,8
100
25
25
-9
-
-
15,3
0-
-
-
-
9
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
0,428
1,4
11,9
10
0,4
1,4
28,57
20
2
-25
0
0
3,4
0
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
3,436
11,35
96,5
Total
1
Observaciones
El aire a la salida del secador con una humedad relativa del 28,57% no formará condensado si no se
enfría en la línea a menos de 2 °C.
Se puede observar que la suma de todos los condensados eliminados má s la humedad de salida del
secador, debe ser igual a la humedad de entrada:
∑ L`+W
10
= W1
11,35 + 0,4 ≅ 11,76
En la instalación se puede ver que alrededor de un 60% de la humedad es eliminada por el
refrigerador. Igualmente alrededor de un 25% de la humedad es eliminada entre el depósito y el
separador. Y el secador frigorífico elimina aproximadamente un 12% de la humedad.
Pá gina 86