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Manual de Aire Comprimido Kaeser
1.
Fundamentos de Aire Comprim ido
1.1
1.2
1.3
1.4
1.5
Aire comprimido Antes y Hoy
Unidades y Símbolos
Estado Térmico
Información Importante sobre el Aire Comprimido
Sonido
2.
Produciendo Aire Comprimido
2.1
2.2
2.3
Tipos
de compresores
Compresores
con desplazamiento positivo
Compresores Dinámicos
3.
Tratamiento de Aire
3.1
3.2
3.3
El significado de la Calidad del Aire
Humedad, Condensado
Enfriamiento del Aire Comprimido
3.4
3.5
3.6
3.7
Separación
Métodos
de mecánica
secado inicial
Filtración
VDMA Recomendaciones para Calidad de Aire
Comprimido en la Industria Alimenticia
4.
Drenaje con densado y Tratamiento
4.1
Drenaje de Condensado
4.2
Tratamiento de Condensado
5.
Distribu ción del aire comp rimido
5.1
5.2
5.3
5.4
5.5
Estructura de la red de tuberías
Caída de presión
Medición de fugas
Dimensionando de las tuberías de aire comprimido
Elección de materiales
5.6
5.7
Instalación dede
redes
de aire comprimido
Identificación
tuberías
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6.
Sistemas de con tro l
6.1
6.2
6.3
6.4
Introducción
Control interno del compresor
Controladores Maestros
Resumen
7.
Utilización de sistemas de recuperación de
calor
7.1
7.2
7.3
7.4
7.5
Aplicación
Recuperación de Calor de Compresores de Tornillo
Utilización de aire de enfriamiento de escape para
calefacción de espacios
Calefacción con agua caliente
Intercambiadores de calor
8.
Estud io Econó mico
8.1
8.2
8.3
Reparto de costes
Configuración eficiente del compresor
Cálculos económicos
9.
Planificando una Estación de Compresores
9.1
9.2
9.3
9.4
9.5
Estableciendo la Presión de trabajo
Determinando la Demanda de Aire
Planificando una Estación de Compresores Pequeña
Planificando una estación de compresores Grande
SIGMA AIR UTILITY
10.
Anexos y Normas de Segu ridad
10.1
10.2
10.3
10.4
10.5
10.6
Símbolos gráficos
Símbolos del Diagrama P +I
La marca CE
Normas Generales de Seguridad
Lista de normas
Estaciones Compresoras que cumplen con la Directiva de
Equipos a Presión 97/23/EC
10.7 Decreto sobre Salud y Seguridad Industrial
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1.
Fundamentos de Aire Comprimido
1.1
Aire comp rimido Antes y Hoy
1.2
Unidades y Símbo los
1.3
Estado Térmico
1.3.1 Temperatura y capacidad calorífica
1.3.2 Presión
1.3.3 Volumen
1.4
Info rmación Importante sob re el Aire
Comprimido
1.4.1
1.4.2
1.4.3
1.4.4
1.4.5
Del aire atmosférico al aire comprimido
Las leyes del gas
Especificaciones de Volumen
Cambio de estado termal en gases
Aire comprimido en movimiento
1.5
Sonido
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1. Fundamentos de Aire Comprimid o
1.1
Ai re comprimido Antes y Ho y
Desde el inicio, el aire comprimido ha sido esencial para la vida
humana. Los pulmones se pueden considerar como el primer
compresor de desplazamiento. El volumen de los pulmones se
agranda descomprimiendo el diafragma al inhalar y se reduce
exhalando. La faringe restringe el flujo de aire, así el aire se
comprime a una relación de 0,02 – 0,08 bar.
Fig. 1-1 Human lungs
En la edad paleolítica, este flujo de aire comprimido se uso para encender
fuego, soplando cuando se formo el brillo friccionando madera.
Para fundir metales se requería una corriente de aire más fuerte para
mantener la temperatura por encima de 1000°C. Para este fin se uso durante la edad de
bronce un bolso de fuelle; es decir trabajando el fuelle por mano o pie para proveer el chorro
de aire necesario para alcanzar temperaturas que funden metal. Este fuelle se puede
considerar como el primer compresor mecánico, reemplazando los pulmones como aparato
para levantar la temperatura del fuego.
Heron, un científico de Alejandría, durante el
primer siglo, fue el pionero en Ingeniería de
aire comprimido. El inventó un mecanismo
que permitía mover las puertas del templo
de Alejandría. Usando los fuegos del templo
para calentar el aire en un envase de
presión semi-lleno con agua. El aire
expandiéndose desplazo al agua.
La
fuerza del agua desplazada empujaba un
mecanismo que abría las puertas del
templo.
Syphon
Pressure
vessel
Chain
Drive
Water tank
Fig. 1-3: Temple of Alexandria
Otra aplicación importante del aire comprimido era un sistema de transporte de objetos. En
1865 se instalo un sistema neumático en Berlín para transportar cartas y postales. En esta
aplicación el aire comprimido se uso para empujar latas conteniendo las cartas y postales a
través de una red de tubos subterráneos, conectando 90 puntos de distribución. El largo de
la tubería alcanzo 400 kilómetros. El sistema era tan eficiente, que estuvo en uso hasta
1976. Hasta hoy muchos sistemas neumáticos de correo siguen en uso.
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1. Fundamentos de Aire Comp rimido
El aire comprimido es una herramienta esencial para la industria. Esta permite el transporte
de energía a través de distancias para convertirlo en trabajo en su destino o punto final.
Una de las fuentes más conocidas de aire comprimido son los compresores portátiles, cuya
aplicación es en la construcción de calles, en la construcción, en minas, y en talleres. En
estas aplicaciones los compresores portátiles proveen
el poder para herramientas de rompe pavimentos,
aplicaciones de pinturas, y otras herramientas de aire.
Fig. 1-4: Compresores
Portatiles
Aire comprimido es indispensable
en casi todos los procesos de
fabricación industrial. Normalmente
la industria mantiene una sala de
compresores donde se encuentran
los compresores y todos los
elementos de tratamiento.
Normalmente el aire comprimido es
secado, filtrado, y almacenado en
un estanque de presión. De este
estanque de presión se alimenta la
red de aire comprimido. A través de
esta red se provee aire comprimido
en una forma eficiente a las
herramientas,
maquinas
y
Fig. 1-5: Estación de Aire Comprimido
estaciones de trabajo que requieren aire comprimido.
El aire compri mido es vital para una variedad de industrias in cluyendo:
-
Industria química
Productores de Energía
Hospitales
Fábricas de Madera
Fundiciones
Moldaje de Plástico
Agricultura e Industria Forestal
Fabricación y procesamiento de alimentos
Fabricación y procesamiento de Papel
Textiles
Ingeniería Ambiental
-
Fabricación
de Automóviles
Industria Metalúrgica
-
Fig. 1-6: Arenando
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1. Fundamentos de Aire Comprimi do
Ejemplos de Aplicaciones
Embotelladora
Aire comprimido para el transporte es esencial para
la industria alimenticia. Las normas de la industria
alimenticia requieren que el aire sea seco y filtrado.
Salud
Calidad, confiabilidad, y bajos costos de operación
son factores importantes en la selección de plantas
de aire comprimido para hospitales y clínicas,
suministrando aire en todas las habitaciones,
maquinas de respiración y otros artefactos.
Producció n de botellas pl ásticas (PET)
Se requiere aire seco y limpio con una presión
de 40 bar para producción PET.
Pintado con p intura liquida o con pintura
de polvo
Para obtener resultados óptimos aplicando
pintura liquida o pintura de polvo, el aire
comprimido tiene que ser 100% libre de
contaminantes.
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1. Fundamentos de Aire Comp rimido
Más ejemplos de aplicacion es
Deportes de Invierno
Compresores de tornillo y compresores de
pistón proveen el aire comprimido requerido
por cañones de nieve. En estos cañones de
nieve se mezcla el aire con el agua para la
nieve artificial que provee la superficie de
muchas pistas.
Tratamiento d e agua
Sopladores de lóbulo de alta eficiencia
proveen grandes volúmenes de aire
requeridos por los estanques de oxigenación y
para desbloquear filtros.
Tratamiento Dental
Compresores especiales proveen al dentista y su
asistente con aire comprimido seco, higiénico, y
libre de aceite.
Sitemas de control d e incendios
Aire comprimido se usa en los sistemas
de control de incendios para aumentar
la presión del agua.
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1. Fundamentos de Aire Comp rimido
1
1.2 Unidades y símbolo s
Dependiendo de las diferentes culturas, las unidades usadas varían. Las unidades de
volumen,
por ejemplo,
enpies
Europa
sonylitros
o metros
cúbicos, mientras que en los
EEUU
se usan
pulgadasusadas
cúbicas,
cúbicos
yardas
cúbicas.
Las unidades y símbolos usados en este seminario siguen el sist ema internacional SI, que
define siete unidades de base y unidades derivadas de estos.
Antes de hablar de la generación del aire comprimido y sus aplicaciones en los siguientes
capítulos, es necesario definir algunas de estas unidades para evitar ambigüedades de
lenguaje.
Unidad Base
Abreviación
Símbolo
Distancia
l
[m]
Metro
Masa
m
[kg]
Kilogramo
Tiempo
t
[s]
Segundo
Electricidad
I
[A]
Ampere
Temperatura
T
[K]
Kelvin
Intensidad de luz
Cantidad de
sustancia
L
[cd]
Candela
n
[mol]
Mole numero
Table 1-1:
Base units of the SI system
Derivativo
Abreviación
Símbolo
Fuerza
F
[N]
Presión
p
[Pa, bar]
Temperatura
T
[°C]
Trabajo
W
[J ]
J oule
Potencia
P
[W]
Watt
Tensión Eléctrica
U
[V]
Volt
Resistencia Eléctrica
R
[Ω ]
Ohm
Frecuencia Eléctrica
f
[Hz]
Hertz
Table 1-2:
Nombre
Nombre
Newton
Pascal, bar; (1 bar =100.000 Pa)
Celsius
Derivativs (extract)
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1. Fundamentos de Aire Comprimi do
1.3 Estado Termi co
1.3.1 Temperatu ra y capacidad d e calor
Temperatura
La temperatura de un gas es la medida de energía cinética de sus
moléculas – mientras mas alta la temperatura, mas rápido se mueven.
Aceptando eso, debe existir un punto de baja temperatura en que no se
muevan mas las moléculas. Esta temperatura teórica es menos 273.15
grados en la escala Celsius, que se define por su punto 0.
La escala Kelvin usa esta temperatura como punto cero, in este caso el
punto de derretimiento del hielo es 273,15 grados Kelvin.
Boiling point of
water
Fig. 1-15: Thermometer
Melting point of
ice
t es indicado en [°C]
T es ind icado en [K]
Capacid ad de Calor
La capacidad de calor específica de una sustancia [kJ /kg K] tiene que ser conocida para
describir esta energía térmica. Esta es la cantidad de calor necesaria para aumentar la
temperatura
de una(isochorica)
sustancia de
1 K.laHay
que constante
considerar(isobárica).
si la sustancia se calienta con el
volumen constante
o con
presión
Capacidad de calor isochorica: c v
0.72 kJ /kg K
ejemplo: Temperatura del aire de una habitación c v =
Capacidad de calor isobarica: c p
1.01 kJ /kg K
ejemplo: Temperatura del aire de una habitación c p =
La capacidad de calor isobarica de una sustancia, es por lo tanto, mayor que la capacidad
de calor isochorica.
cp y cv se puede calcular con la ayuda del exponente isentrópico K
ĸ
=
Cp
Cv
La capacidad de calor Q, necesaria para calentar una masa de temperatura T1 a T2 se define
por:
Q = m x c x ( T1 - T2 )
Q = cantidad de calor [kW]
m = flujo de masa [kg/s]
c =cantidad de calor especifico [kJ /kg K]
T = temperatura [K]
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1. Fundamentos de Aire Comp rimido
1.3.2 Presión
Presión atmosférica (pamb) se crea por el peso de la atmósfera y varía según su densidad y
distancia del centro de la tierra. La presión atmosférica normal a nivel del mar es de 1,013
bar, equivalente a 760 mm de mercurio (Torr). La presión atmosférica baja a medida que se
aumente la altura.
Fig. 1-16: Presion de
aire dependiendo de
altura
Indicando presión hay que indicar si es presión absoluta o manométrica.
Presión absoluta p a
p a es la presión absoluta medido de
Presión manométrica p g
p g es la referencia práctica e indica la
cero absoluto y se usa en todos los
análisis teóricos, en tecnologías de
vacio y soplado.
diferencia entre la presión medida y la
presión atmosférica
pa = p amb + p g
Pg = p a - p amb
p amb
atmospheric pressure
absolute pressure
(g)
vacuum
100%
vacuum
(g)
(g)
(g)
gauge pressure
Pg
0%
Fig. 1-17: Relacion de presión manometrica, vacuum, y presión absoluta.
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1. Fundamentos de Aire Comp rimido
Definición de Presión
En general:
fuerza
F
presión =
p =
area
A
Dimensiones:
1 Newto n
1N
1 Pascal =
1 Pa =
1 m2
1 metro cuadrado
Relación de Uni9dades:
105 Pa
1 MPa
1 bar
1 bar (g)
1 bar
1 bar
F
Fig. 1-18: Representación de presión
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=
=
=
=
=
=
1 bar
10 bar
14.5 psi
14.5 psi (g)
10197 mm agua
750.062 Torr (mm mercurio)
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1. Fundamentos de Aire Comprimid o
1.3.3
Volumen
El volumen V es el espacio ocupado por una sustancia con la masa m. V es una variable de
estado y generalmente depende de presión y temperatura.
V = f (T, p) [m³]
La dependencia del volumen de la temperatura y la presión varia dependiendo de la
sustancia. El volumen de sólidos y líquidos no varía mucho con relación a la presión, pero
cambia considerablemente dependiendo de la temperatura.
Gases por otro lado, tienen una relación casi lineal entre volumen y presión, y entre presión
y temperatura.
T
p
p x V ~ T
~
V
La relación entre volumen, presión y temperatura es un hecho simple y puede ser ilustrado
por el siguiente ejemplo.
V
Un pistón de masa definida encierra un volumen
de gas en un cilindro. Cuando se calienta el gas
en el cilindro, el volumen del gas se incrementa,
empujando el pistón hacia arriba. (Fig. 1-19)
m
2
m
1
T
Fig. 1-19: Volume and temperature
V
m
m
1
m
2
T =konst.
p
El cambio de volumen también ocurre
cuando la temperatura se mantiene
constante y la presión varia. En este
caso, la temperatura del gas queda
constante (representado por el
cilindro inmerso en un líquido) y la
masa del cilindro se incrementa. (Fig.
1-20).
Fig. 1-20: Volumen y presión
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1. Fundamentos de Aire Comprimid o
1.4 Hechos impo rtantes sobre aire com primido
1.4.1 De aire atmosferico al aire comprim ido
Composición del aire
La definición física y química del aire la explica como
una mezcla de gases sin color, sin olor y sin sabor.
La mayor parte del Volumen del aire es nitrógeno
(78%) y oxigeno (21%). Uno por ciento del volumen
es argon y existen pequeñas cantidades de dióxido
de carbón y otros gases. La composición exacta se
muestra en la tabla a la derecha.
Como toda la materia, el aire se compone de
moléculas constantemente en movimiento y que se
atraen por las fuerzas moleculares. Moléculas de
materia en el estado de gas mantienen relativamente
una gran distancia entre si mismas y las fuerzas
moleculares entre si son relativamente bajas. Por
este hecho gases se expanden y llenan el volumen,
encerrando este para ser mezclado con otros gases
presentes. El volumen de las moléculas es
comparativamente pequeño al volumen de los gases
que componen las moléculas.
Component
Volume
percentage
Nitrogeno
Oxygeno
Argon
Dioxidio de Carbon*)
Neon
Helium
Methane
Krypton
Monoxidio de
Carbon *)
Monoxidio de
Nitrogeno *)
Hydrogeno *)
Ozono *)
Xenon
78.08
20.95
0.93
0.03
0.018
0.00052
0.00015
0.00011
0.00005
0.00005
0.00004
0.000008
Dioxidio
de
Nitrogeno
Iodine
Radon
0.0000001
2 x 10-11
6 x 10-18
0.0001
El espacio entre las moléculas se puede reducir
considerablemente, reduciendo el volumen del gas a una fracción de su volumen original.
Cuando los gases se contienen, las moléculas colisionan con las
paredes del contenedor, ejerciendo presión. La presión del gas se define
por fuerza por área y se mide en bar.
[%]
100
90
80
70
Force
En aire a una presión de 1 bar (presión
atmosférica) y una temperatura de 0°C (273.15 K), las
colisiones de las moléculas con las paredes del
envase son aprox. 3 x 1023 por pulgada cuadrada por
segundo. Si el gas contenido se calienta, la velocidad
y energía cinética de las moléculas incrementa;
50
impactando estas contra las paredes del contenedor,
teniendo más fuerza y presión en su interior.
10
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Nitrogen
60
40
30
Oxygen
Other
gasses
20
0
11
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1. Fundamentos de Aire Comprimid o
Definición de Aire Comprimido
Aire comprimido se entiende como aire atmosférico comprimido y
es energía almacenada que se puede convertir en trabajo. Una
forma simple de producir aire comprimido es con un Bombin en que
el movimiento de un pistón en un cilindro comprime aire y produce
calor. Este aire comprimido se puede usar para llenar la llanta de
una bicicleta mientras que el calor va al medioambiente.
Todos los contaminantes que estaban en el aire antes de la
compresión se mantienen en el aire comprimido en la misma
cantidad pero mas concentrados en un espacio mas pequeño.
Fig. 1-23: :Air pump
1.4.2 Leyes del gas
La ley del gas de Boyle-Marriotte define la relación entre presión y
volumen cuando la temperatura queda constante.
p 0 x V0 = p 1 x V1
La ley de Gay-Lussac define la relación entre temperatura y volumen a
una presión constante.
V0
T0
=
V1
T1
Estas dos leyes forman la “Ley de g ases Ideales”.
p xV
= R = const.
T
p = presión [ bar (a) ]
V = volumen [ m³ ]
T =temperatura [ K ]
R =constante del gas especial [kJ /kg K]
R es la cantidad de trabajo mecánico producido por 1 kg. de gas por cada aumento de un
grado K en temperatura, mientras que la presión queda constante. R depende del tipo de
gas.
Raire =0.287 kJ / kg K
Si el volumen se mantiene constante y se incrementa la presión, por consecuencia la
incrementa la temperatura.
Si la presión se mantiene constante y se incrementa la temperatura, por consecuencia el
volumen se incrementa.
Si el volumen se mantiene constante y se incrementa la temperatura, por consecuencia la
presión se incrementa. (Ejemplo: llantas de autos (coches))
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1. Fundamentos de Aire Comprimid o
1.4.3 Especific aciones de Volumen
Volumen Est ándar
Volumen estándar se define como el volumen de un gas, liquido o sólido en su estado físico
estándar. El estándar de estado físico se define por DIN 1343.
Temperatura: 0 °C =273.15 K
Presion: 1.01325 bar (nivel del mar) Humedad: 0 %
Un metro cúbico de gas a 0 °C y 1.01352 bar es definido un “metro cúbico estándar”.
Volumen Normal
Si se trata de aire comprimido, los volúmenes se dan como volumen normal bajo de las
condiciones ambiéntales, en lugar de usar volúmenes estándares. Las condiciones de
referencia para medir el aire entregado de compresores son 20 °C, 1 bar(a) y 0 % de
humedad, dado por ISO 1217. En la práctica, volúmenes normales son calculados tomando
en cuenta las condiciones ambientales.
Volúmenes de entrega de un compresor de desplazamiento positivo (compresor de
tornillo, reciprocante, paletas, lóbulo rotante) siempre se dan en volúmenes normales.
Presión
salida
Temperatura entrada T1
Volumen
salida
Presión de entrada P1
Humedad de entrada Frel 1
Temperatura
salida T2
V2 x p 2 x T1
V1 =
T2 x p 1
Fig. 1-24: Medición de volumen de entrega
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1. Fundamentos de Aire Comprimi do
Volumen de trabajo
Es el volumen en la red de aire comprimido o almacenado en el tanque, que se encuentra
bajo presión a una relación de compresión correspondiente. Su temperatura normalmente es
la misma que el ambiente y su humedad depende del grado de tratamiento recibido. El peso
de este aire es variable como es en el caso con el aire de volumen normal.
Volumen efectivo d e aire de entrada V0 x Presión de aire de entrada p 0
Volumen de trabajo V1 =
Presión de trabajo p 1
Umgebungsluftdruck
1 bar (a)
7 m³ volumen de aire atmosférico
7m³
a 1 bar(a) presión de ambiente
atmosphärisches
Luftvolumen
Presion de trabajo
pressure
7 bares (a) =6 bares (g)
Betriebsdruck
7 bar (a)
= 6 bar (ü)
Fig 1-25: Volumen trabajando
1 m³ 1trabajando
Betriebs-m ³
Vario s for mas de expresar el vo lum en
En la práctica, se encuentran varias formas de expresar volumen. P ara propósitos de
comparación es útil incluir las condiciones actuales. La tabla da cuatro posibilidades básicas.
Temperatura
a) Volumen en acuerdo
con DIN 1343 (estado
fisico normal)
b) Volumen en acuerdo
con ISO 2533
Presión de aire
Humedad
relativa
Densidad
de aire
1.01325 bar
0%
1.294
kg/m³
0 °C =
273.15 K
15 °C =
1.01325 bar
0%
288.15 K
1.225
kg/m³
c) Volumen referido a
condiciones
ambientales)
Temperatura
ambiente
Presión de
aire de
ambiente
Humedad d e
ambiente
Variable
d) Volumen referido a
condiciones de trabajo
Temperatura
trabajando
Temperatura
de trabajo
Variable
Variable
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1. Fundamentos de Aire Comprimid o
Conversion de un volu men normal a un volu men estandard de acuerdo a
la DIN 1343
En varias situaciones no es suficiente dar el volumen de aire entregado en volumen normal,
por que se necesita el peso del aire. En estos casos es necesario convertir a “metro cúbico
estándar” como se especifica en la DIN 1343.
La ley básica de gases es la base del calculo:
V0 x TN x (p A - (Frel x p D))
Donde:
VN = Volumen estándar según DIN 1343
V0 = Volumen normal
T0 = Temperatura ambiente in K
TNN
p
pA
F rel
pD
=
=
=
=
VN =
(p N x T0)
Temperatura
según
DIN
1343,
TNp=
273,15
K bar
Presión
de aire
según
DIN
1343,
1.01325
N=
Presión de ambiente en bar (a)
Humedad relativa del aire del ambiente
Presión de saturación de vapor de agua en el aire en bar, dependiente de la
temperatura del aire (ver tabla)
Tabla de presion parcial de vapor de agua en el aire
Presión de saturación pD (bar(a)) a temperatura del aire t (˚C)
t
pD
T
pD
t
pD
-10
-9
-8
-7
-6
-5
-4
-3
-2
-1
0
+1
+2
+3
+4
+5
+6
+7
+8
+9
0.0026
0.0028
0.0031
0.0034
0.0037
0.0040
0.0044
0.0048
0.0052
0.0056
0.0061
0.0064
0.0071
0.0074
0.0081
0.0087
0.0094
0.0100
0.0107
0.0115
+10
+11
+12
+13
+14
+15
+16
+17
+18
+19
+20
+21
+22
+23
+24
+25
+26
+27
+28
+29
0.0123
0.0131
0.0140
0.0150
0.0160
0.0170
0.0182
0.0184
0.0206
0.0220
0.0234
0.0245
0.0264
0.0281
0.0298
0.0317
0.0336
0.0356
0.0378
0.0400
+30
+31
+32
+33
+34
+35
+36
+37
+38
+39
+40
+41
+42
+43
+44
+45
+46
+47
+48
+49
+50
0.0424
0.0449
0.0473
0.0503
0.0532
0.0562
0.0594
0.0627
0.0662
0.0699
0.0738
0.0778
0.0820
0.0864
0.0910
0.0968
0.1009
0.1061
0.1116
0.1174
0.1234
Table 1-5:
Partial pressure of water vapour in saturated air
El
Volumenalde
entrega
de los
compresores
desplazamiento
positivo
siempre es
relacionado
estado
estándar
físico.
Condicionesde
locales
extremas como
alta temperatura
ambiente, presión baja (relacionada a la altura) y humedad máxima se debe tomar en
cuenta.
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1. Fundamentos de Aire Comp rimido
Ejemplo
Conversión de volumen estándar a volumen estándar según DIN 1343.
Una fábrica de tejido requiere 16 m³ por volumen estándar según DIN 1343 a 7 bar.
Que compresor se requiere? Será suficiente un DSD 201, produciendo 20.86 m³/min a 8 bar.
Condiciones ambientales
Temperatura máxima ambiental: 40 °C
Humedad relativa máxima: 65 %
Presión atmosférica más baja: 1.018 bar
Volumen de entrega de un DSD201 @ 8 bar: 20.86 m³/min
V0
x TN x (p A - (Frel x p D))
VN =
(p N x T0)
VN
V0
T0
TN
pN
pA
F rel
pD
=
=
=
=
=
=
=
=
Volumen estándar a DIN 1343
Volumen estándar
Temperatura de la ubicación en K
Temperatura según DIN 1343, TN = 273.15 K
Presión de aire según DIN 1343, pN = 1.01325 bar
Presión de aire en ubicación, en bar (abs.)
Humedad relativa en la ubicación
Presión de saturación de vapor de agua contenida en el aire en bar, dependiendo de
la temperatura del aire. (ver pagina 15).
20.86 m³ x 273.15 K x (1.018 bar – (0.65 x 0.0738 bar))
VN =
(1.01325 bar x 313.15 K)
VN = 17.41m³ Un compresor DSD 201@ 8 bar es suficiente.
Al agregar unidades de tiempo, el valor se puede expresar como Flujo de Volumen Estándar
(VN) 17.41 m³/min.
∙
El consumo de aire en términos de masa de aire, por ejemplo en kg. por unidad de
tiempo, es dividido por la densidad del aire (1.294 kg/m³ según DIN 1343) para obtener
un Flujo de Volumen Estándar en términos de metros cú bicos por uni dad de tiempo.
mientras:
m = Flujo de masa en [kg/min]
= Densidad en [kg/m³], for air: 1.294 kg/m³
ρ
VN = Flujo de Volumen Estándar en [m³/min] según DIN 1343
VN =
m
ρ
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1. Fundamentos de Aire Comp rimido
1.4.4 Cambio de Estado en Gases Ideales
Los cambios de estado en sistemas reales muchas veces son complejos. Se pueden
simplificar, sin embargo, están relacionados a cambios de estado especiales, para eso se
requieren las siguientes condiciones generales :
-
-
Cantidad de particulas de un gas ideal constante.
Sistema cerrado
Gas en un cilindro tapado por un pistón
Proceso controlado (presión y temperatura del gas siempre en equilibrio con la
presión y temperatura del ambiente).
Movimiento de pistón sin fricción. (proceso reversible)
Cambio d e estado iso térmico
Un cilindro con buena conductividad termica es ubicado en un deposito de calor de una gran
capacidad de calor. El cambio de estado debería tomar lugar lentamente para asegurar el
equilibrio de temperatura.
Deposito
de calor
p
Isotérmico
T0 =T1
T1
p
1
p0, T0
p1, T1
T0
p0
V1
Transferencia de Calor
V0
V
Fig. 1-26: Cambio de estado isotérmico
Si se disminuye el volumen manteniendo la temperatura constante, se aumenta la presión.
Para compresión isotérmica, el calor completo tiene que ser transferido a los alrededores a
través del depósito de calor.
Al revés, en una expansión isotérmica, el calor debe fluir desde el ambiente para ser
repartido.
La siguiente relación entre presión y volumen se aplica segun Boyle-Mariotte:
p0
x V0 = p 1 x V1 = const.
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1. Fundamentos de Aire Comprimid o
Cambio d e estado Isocór ico
El volumen de gas se mantiene constante por un envase de rigidez infinita.
p
p0, T0
p1, T1
Isocórico
V0 =V1
1
p1
T1
0
p0
Transferencia de calor
T0
V0 =V1
Fig. 1-27: Cambio de estado isocórico
V
Si se calienta el gas, se incrementa la presión. En el diagrama P-V, el estado isocórico es un
movimiento vertical. El cambio de relación de presión es directamente proporcional a la
relación de cambio de temperatura.
p0
p1
=
T0
T1
Cambio de estado Isobárico
A un volumen de gas en un cilindro se ejerce una presión constante por la masa estática y
constante del pistón.
p
m
Isobárico
p0 =p1
0
p0, T0
p1, T1
1
p0 =p1
T1
T0
Transferencia
Calor
de
V0
V1
V
Fig. 1-28: Cambio de estado i sobárico
Cuando se aplica calor a un gas, su volumen aumenta empujando el pistón hacia arriba. En
el diagrama P-V, el estado isobárico es un movimiento horizontal. El cambio de relación de
volumen es directamente proporcional a la relación de cambio de temperatura.
V0
V1
=
T0
T1
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1. Fundamentos de Aire Comprimid o
Cambio d e Estado Isotrópico
El cambio de estado isentrópico puede suceder en un sistema adiabático si se puede evitar
cualquier transferencia de calor hacia afuera. En términos prácticos, el proceso pasa tan
rápidamente que no hay tiempo para la transferencia de calor. Isentrópico también significa
que el proceso es reversible.
p
Adiabático o isentrópico
p0 <p1
T0 <T1
V0 >V1
Adiabático:
completamente
aislado y libre de
fricción
p0, T0, V0
p1, T1, V1
p1
1
0
p0
T0
V1
No transferencia de calor
T1
V0
Isotérmico
V
Fig. 1-29: Cambio de estado isotrópico
Si se reduce el volumen y no hay transferencia de calor, la temperatura y la presión
aumentan. Como el calor de compresión aumenta el diagrama P-V es más inclinado que el
diagrama P-V isotérmico;. Al reves, el gas se enfria en una expansión isentrópica (como en
una descompresión en una boquilla).
Temperatura, presión y volumen son vinculados por la formula siguiente:
p 0 x V0
ĸ
= p 1 x V1
ĸ
p =presión absoluta [Pa]
V = volumen [m³]
ĸ
p 01- x T0
ĸ
ĸ
ĸ
= p 11- x T1
T0 x V01- = T1 x V11-
ĸ
ĸ
T =temperatura [K]
cp
ĸ =
= Kappa
cv
ĸaire
= 1.40
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1. Fundamentos de Aire Comprimid o
Cambio d e Estado Politró pico
Ambos, el cambio de estado isotérmico y el cambio de estado isotrópico son extremos y no
ocurren en realidad. La compresión de gas en un compresor o la expansión en un motor son
cambios de estado politrópicos.
Todos los cambios de estado descritos hasta el momento se pueden considerar
como casos especiales dentro del caso general, el cambio de estado politrópico
aplica de la siguiente forma:
n- 1
T1 =
T0
p1
p0
n
n- 1
V0
V1
=
Con n como el exponente politrópico
n =0 proceso isobárico
n =1 proceso isotérmico
n =ĸ proceso isotrópico
n = ∞ proceso isocórico
El diagrama siguiente indica la potencia específica teórica requerida para la compresión de
1 bar absoluto.
n = 1,4 = ĸ
air
n = 1,3
n = 1,1
Isentropico
n = 1,0
Isothermico
Fig. 1-30: Influencia del exponente politrópico n
Relación
de presión
sobre la potencia específica
En la compresión de aire, el exponente n llega a diferentes valores dependiendo del método
de compresión usado, de la relación de compresión, y de la potencia específica necesaria
para la compresión de una cantidad definida de aire en un momento dado.
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1. Fundamentos de Aire Comprimid o
1.4.5 Aire comprimi do en mo vimiento
Flujo volumétrico V
La tasa de flujo volumétrico conocido es la tasa de entrega del compresor y se indica en las
siguientes unidades [l/min], [l/s], [m³/min] o [m³/h]. La tasa de flujo volumétrico se define
como volumen por unidad de tiempo. Tasas de flujo solo pueden ser comparadas si son
medidas bajo las mismas condiciones de temperatura de entrada, presión, humedad
relativa, y presión en la medición.
Tasa de flujo
Las leyes que se aplican al aire estático son diferentes a las leyes que se aplican al aire en
V
v
A
movimiento.:
=
de flujo
volumétrico [m³/min]
= Tasa
Velocidad
[m/s]
= Área seccionada [m²]
dB(A)
dB(A)
d1
A1 , v 1
d2
A 2, v 2
v2 > v1
V constante
Dp
Dp ~ v²
Fig. 1-31:
Tasa de flujo con cambio de área seccionada
La tasa de flujo se deriva de siguiente fórmula:
Eso
indica
que la velocidad
de flujo es inversamente proporcional
al área
particular
seccionada.
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Longitud
V = A1
x v1 = A2 x v2
A1 =
A2
v2
v1
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1. Fundamentos de Aire Comprimid o
Hay dos tipos de flujo; éstos dependen de la velocidad del fluido:
Flujo laminar
En el flujo laminar, las partículas del aire se mueven en
paralelo.
La velocidad disminuye del centro hacia la pared de la
tubería. La velocidad cerca de la pared es cero; las
partículas no se mueven. El flujo laminar solo ocurre a
baja velocidad y/o en tuberías estrechas. Las pérdida de
presión y transferencia de calor son bajos.
Fig. 1-32: Flujo laminar
Flujo turbulento
En un flujo turbulento, que es más común, las partículas no mueven en paralelo y la
estructura de la velocidad no es regular. Reflujos y remolinos ocurren y hay gran pérdida de
presión y transferencia de calor.
Pipe material
Turbulent flo w
Boundary
layer
Laminar flow
Fig. 1-34: Perfiles de velocidad de
flujo laminar y flujo turbulento
Números de Reynold (Re)
El número de Reynold ayuda a determinar si el flujo en una red de tubos es laminar o
turbulenta. El número Re es influenciado por tres factores:
w
di
=
Promedio de velocidad de flujo [m/s]
=
Diámetro de la tubería [m]
ν
=
Viscosidad dinámica [m²/s]
Ejemplo. Aire a 1.0132 bares y 20 °C:
-6
m²/s
ν = 15.10 x 10
w x di
Re =
ν
Si el número de Reynolds excede el valor critico (Recrit = 2.320) un flujo laminar cambia a un
flujo turbulento.
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1. Fundamentos de Aire Comp rimido
Perdi da de presión en un tubo
Cada tubo presenta cierta resistencia al flujo de aire que fluye adentro. La resistencia es
mucho
factores:más grande en flujos turbulentos que en flujos laminares y depende de cuatro
·
·
·
·
Área seccional del tubo
Velocidad del flujo
Largo del tubo
Calidad de la superficie de la pared del tubo (no tiene importancia en las velocidades
encontradas en el ámbito del aire comprimido)
Presión en bar
1
2
Largo en mm
Fig. 1-35:
Perdida de presión incrementando el largo del tubo
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1. Fundamentos de Aire Comprimid o
1.5 Son ido
Sonido es lo que interpreta su cerebro con cambios minúsculos en presión del aire tocando
el oído. El sonido viaja a través de un medio como gas o líquido en forma de olas
longitudinales, moviendo las moléculas del medio, adelante y atrás y así creando áreas de
presión. La velocidad del sonido a través del aire a nivel del mar y 20 °C es 343 m/sec.
Presión del sonido
Presión del sonido es el nombre dado a variaciones de presión en un medio que transmite
sonido. La presión del sonido ejerce una fuerza sobre un área y por tal motivo se puede
expresar en Pascal. (Pa) (10-5 bar). En este sentido la distancia de la fuente del sonido es
crítica. El sonido ambiental en un dormitorio tranquilo en la noche tiene una presión de
sonido de 6.3 x 10-4 Pa, mientras la presión del sonido de la turbina de un avión a una
distancia de 30 metros puede ser 200 Pa.
Nivel de presión de sonido (Lp )
El nivel de presión de sonido L p indica la relación de la amplitud de la presión del sonido a
un nivel de referencia de cero dB (Decibel) (p R = 20 µPa = 2 x 10-5 Pa). El Decibel del nivel
de la presión del sonido (dBSPL) es, por ende, una relación sin dimensión a un nivel de
referencia, el umbral del oído del ser humano a su frecuencia más sensitiva.
Ponderación del nivel de presión de soni do (A)
Las curvas de frecuencia de ponderación son usadas para tomar en cuenta el hecho de que
el oído humano percibe una diferencia en la fuerza entre tonos de la misma intensidad pero
frecuencia diferente (Fig. 9-31). Comunmente se utiliza la siguiente fórmula:
p eff A
L pA = 20 log
in dB (A)
pR
El p eff A es el valor efectivo de la presión del sonido y se puede medir fácilmente con
medidores de presión comerciales.
Fig. 1-36: Sound pressure level without A filter
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1. Fundamentos de Aire Comprimid o
Volumen (Fuerza del so nido)
El oido humano no tiene la misma sensivilidad a todas las frecuencias y los niveles sonoros
no pueden equipararse a la percepción de volumen. El volumen es un valor subjetivo
medido
en Phon de
e indica
promedio,
queuna
tanduplicación
fuerte oímos
sonido. Un
dede
la
presión acústica
10 dB en
se percibe
como
delun
volumen.
Dosaumento
fuentes de
igual nivel de sonido producen un nivel combinado de 3 dB superior a la misma fuente.
Nivel de potencia acústica L WA”
El nivel de potencia acústica indica, por ejemplo, el ruido producido por un producto en
determinadas condiciones de operación. La potencia acústica de una fuente de radiación
puede ser determinada por la medición de campo libre. Mientras que el nivel de presión
acústica indica el valor de la presión acústica de un campo de sonido en un determinado
lugar, el nivel de potencia acústica da a la emisión de ruido de una fuente. Si el nivel de
presión acústica en una determinada distancia de la fuente es conocida, la potencia acústica
de la fuente puede ser calculada.
El "nivel de potencia acústica" se calcula de la suma de los "niveles de presión acústica" y la
superficie de medición Ls.
L WA = L pA +L s
LpA es el promedio “nivel de potencia acústica” en una
superficie especifica, Ls es el superficie de la medición,
donde
L s =10 log (s / 1 m²) in [dB]
s = es el tamaño de la superficie en m² (ejemplo a 4 m de
radio de medición s = 100 m²)
La superficie de medición L s es el tamaño calculado que se agrega al “Nivel de potencia
acustica LpA” medido.
Medicio n de campo libre
El nivel de sonido de un compresor, por ejemplo, se
determina con la ayuda de una medición de campo
libre segun DIN 45635. La máquina se posiciona en
un campo libre de un radio de 50 m, para evitar que
refexiones de sonido entren a la medición. Un cubo
imaginario envuelve la máquina en una distancia de
un metro en todas las direcciones. Se calcula la
superficie de este cubo imaginario y se definen los
puntos de medición.
Usando la formula de arriba, el “nivel de potencia
acustica” se puede calcular, independiente de la
distancia de la máquina, para definir la emisión de
sonido del equipo
Cubo imaginario
1m
50 m
Fig. 1-37:Medición de campo libre
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2.
Produciendo Aire Comprimido
2.1
Tipos de compresores
2.2
Compresores con desplazamiento
positivo
2.2.1
2.2.1.1
2-shaft rotary compressors
Compresores de tornillo
2.2.1.2
2.2.1.3
2.2.1.4
Ventajas
de los
compresores
KAESER
Compresores
rotativos
interdentados
Sopladores Rotativos
2.2.2
2.2.2.1
2.2.2.2
Single shaft rotary compressors
Compresores Vane
Compresores Scroll
2.2.3
Compresores de Pistón
2.3
Compresores Dinámicos
2.3.1
2.3.2
2.3.3
Compresores turbo radial
Compresores turbo axial
Características de compresores turbo
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Manual de Aire Comprimido Kaeser
2. Produciendo Aire Comprimido
2.1 Tipos de Compresores
Si estamos hablando de la producción de aire comprimido uno debe separar entre los dos
principios de compresión; dinámica y desplazamiento positivo.
Compresión dinámica
Compresores dinámicos convierten energía cinética a energía comprimida. Propulsores
aceleran el aire y difusores lo retrasan de nuevo, convirtiendo la fuerza centrífuga (peso) del
aire a energía en forma de presión. El volumen de aspiración no está definido pero depende
del peso y de la contrapresión. El desempeño de los compresores dinámicos es influenciado
por las condiciones ambientales y el origen del gas para comprimir (oxigeno, nitrógeno,
helio,
hidrógeno).en
Laelhumedad
temperatura
y presión del gas de entrada deben
ser
consideradas
diseño depromedio,
un compresor
dinámico.
Compresores de desplazamiento positivo
En todos los compresores de desplazamiento positivo, el volumen entrante es incrementado
al máximo, y luego se reduce nuevamente, apretándose entre sí las moléculas del medio
creando una presión interna. Cuando en la cámara de compresión la presión excede a la
contrapresión del tanque de aire o red de aire, la válvula de venteo se abre (en el caso de
un compresor de pistón) permitiendo que el aire sea expulsado de la cámara. En otros
compresores como tornillos rotativos, el aire comprimido por los tornillos ínter dentados es
expulsado continuamente y a una presión constante sin la necesidad de una válvula de
venteo.
En este capitulo se describe los tipos de compresores mas importantes en detalle. Se debe
recordar que n o todos son aptos para todas las aplicaciones y la seleccion debe ser
realizada de acuerdo a la necesidad de una tarea específica, no unicamente desde el punto
de vista del tipo de compesor sino tambien de acuerdo a la energía, costos de
mantenimiento y confiabilidad de la operación.
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2. Produciendo Aire Comprimido
Tipos de Compresores
Compresores Dinámicos
Eyector
Axial
Radial
Compresores con desplazamiento positivo
Reciprocativo
Trunk
Crosshead
Piston libre
Labyrinth
Diafragma
Rotativos
1-eje
Paleta
Anillo Liquido
Scroll
2-ejes
Tornillo
Lóbulos
Meshing tooth
Fig.2-1: Tios de compresores
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Manual de Aire Comprimido Kaeser
2. Produciendo Aire Comprimido
2.2
Compresores con despalzamiento positivo
2.2.1 Compresores de tornillo con dos ejes
2.2.1.1 Compresores de tornillo
Desarrollo de compresores de tornillo
La idea de utilizar rotores en aire comprimido no es nueva. En 1878
Heinrich Krigar de Hannover, Alemania patentó un pequeño
compresor de tornillo. La primera producción de un compresor de
tornillo tenía un perfil simétrico y no podría lograr un cambio por su
mayor costo específico, en esos tiempos el compresor de pistón era la
única solución.
Fig. 2-2: Perfil Simétrico
En
1962 un
dos rotores
fue desarrollado,
resultando
un perfil
mejor asimétrico
rendimientode(caudal),
un 10%,
pero aún el
consumo en energía y el precio estaban mas alta que un compresor
de buena calidad de pistón.
Fig. 2-3: Perfil Asimétrico
El perfil SIGMA
Ingenieros de KAESER lograron desarrollar un
perfil asimétrico, SIGMA con el cual se
eliminaron las previas desventajas de
generaciones de compresores de tornillo.
Incorporando este perfil de rotores en
compresores de tornillo en conjunto con otras
nuevas mejoras en diseño y un nuevo método
de producción precisa, logran un gran ahorro
en energía sobre los de la competencia (15 a
20% *)
Compresores rotativos KAESER tienen un
menor costo específico que cualquier otro
compresor e incluyen todas las ventajas del
principio de rotores conocidos hoy en día.
Fig. 2-4: perfil SIGMA
*) Confirmado por pruebas científicas de universidades y de la CAGI (Compressed Air and
Gas Institut)
Areas de aplicaciones
Compresores rotativos de tornillo modernos se encuentra en dos áreas de aplicaciones:
Compresores estacionarios para toda la industria o compresores portátiles en aplicaciones
de minerías y manufacturas.
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2. Produciendo Aire Comprimido
Produciendo Aire Comprimido con dos tornillos rotativos
Un rotor macho y un rotor hembra girando en direcciones diferentes, generalmente llamados
tornillos están ubicados en una carcasa; solo uno esta conectada al motor (macho) y el otro
gira por la rotación del macho. Por la razón de di ferentes lóbulos las velocidades son
diferentes entre los dos rotores. El aire entra entre los lóbulos y la carcasa y se mueve hacia
la salida de aire comprimido. Debido a las diferentes velocidades se reduce el espacio y por
lo tanto el volumen del aire. La entrega es continua y sin pulsaciones.
Entrada de aire
Fig. 2-5: Vista desde arriba
Salida aire
comprimido
Fig. 2-6: Vista desde abajo
Fig. 2-5: Un rotor macho y un rotor hembra girando en direcciones diferentes son
montadas con rodamientos de polines dentro de la carcasa. Se inyecta aceite a la carcasa,
disminuyendo el calor de compresión, previniendo contacto metálico entre los tornillos y
también con la carcasa, y lubricando los rodamientos. Como los tornillos están girando, el
espacio entre ellos y la carcasa cerca del orificio de entrada se abren empujando el aire
hacia los espacios f ormados y estos espacios son sellados por la inyeccion de ac eite
apenas pasa el puerto de entrada atrapando el aire (en la ilustración con sombra).
Fig. 2-6: La diferencia entre los ángulos y la velocidad de los tornillos es la razón de la
disminución de volumen, el aire comprimido es transportado hacia la salida, siempre y
cuando
se ha llegado
El flujodel
es empujado
en forma
y libre
de pulsaciones
haciaa la
la presión
salida. diseñada.
La velocidad
tornillo macho
en continua
un compresor
directamente acoplado es de 1.500 o 3.000RPM.
Además de la versión de compresores rotativos mencionadas arriba, hay también unidades
enfriadas por agua y no lubricadas.
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2. Produciendo Aire Comprimido
Diagrama de un compresor de tornillo lubricado
Aire Comprimido
(4)
Filtro de aire
(5)
(3)
Aceite frio
(3)
(1)
(2)
Aceite
frio
Mexcla aire Aceite
Filtro de aceite
Aceite caliente
Válvula Termostatica
La unidad compresora (1) esta conectada al motor eléctrico. El aceite (Lubricante para
enfriar) inyectado a la unidad compresora y mayormente para enfriar, es direccionado hacia
el estanque separador (2) y el filtro separador, asegurando aire limpio en la descarga.
El ventilador (3) asegura un enfriamiento del equipo y también un flujo de aire frió hacia el
enfriador de aceite y el postenfriador de aire (4 y 5). El controlador asegura que el aire esta
producido dentro de sus limites (ej. 7 - 7,5bar). Funciones de seguridad protegen el
compresor contra fallas importantes apagando el equipo automáticamente.
El lubricante del compresor tiene 4 funciones :
1.
Enfriar; temperatura de descarga de la unidad ca. 75 °C
2.
Lubricación de los rodamientos
3.
Sellar lobulos
4.
Limpiar contaminantes en el aire
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2. Produciendo Aire Comprimido
Partes de un compresor lubricado
13
10
6
1
2
Unidad Compresora
Motor compresor
3
Válvula de entrada
4
Válvula Mínima Presión/ Válvula
Check
7
5
Válvula combinada
6
Enfriador de aceite con Válvula
3
termostática
12
1
2
7
Post-enfriador
8
Estanque separador con filtro
11
separador
9
Válvula de seguridad
10 SIGMA Control
11 Acoplamiento Omega
12 Entrada de Aire
13 Filtro de Aire
14 Ventilador Radial
15 Soporte antivibración
4
5
16 Salida de aire comprimido
14
9
16
8
15
Fig. 2-8: Compresor lubricado CSDX
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2. Produciendo Aire Comprimido
Compresor libre de aceite
Compresores de tornillo libre de aceite, ej. donde ningún liquido esta inyectando a la unidad
compresora, están utilizados en ciertas aplicaciones especiales. Los tornillos en es os
nombrados compresores libre de aceite no tienen contacto entre ellos, si están
sincronizadas con engranajes lubricadas. Para compensar la desviación de aire a través de
los espacios entre los tornillos sin sellos, la unidad tiene una velocidad mucho mas alto que
los compresores de tornillo lubricados. Equipos más grandes generalmente son enfriados
por agua y generan mucho calor.
·
·
·
·
·
Dos etapas para llegar a la presión requerida por la razón que no tiene refrigeración
por un medio de lubricante
Tornillos sincronizados en cajas de engranajes separadas con su propio circuito de
aceite
Temperaturas de descarga desde 120 °C to 230 °C
Arrastre de aceite en el aire comprimido hasta 2 mg/m³ dependiendo de la calidad de
aire entrando al compresor
Se requiere un tratamiento de aire adicional para llegar a la clase 3 de la ISO 8573-1
Ilustración de un compresor de tornillo libre de aceite de 2 etapas,
5
2
4
1
3
Fig. 2-9: 2-etapas, compresor de tornillo no lubricado
1.
2.
3.
4.
5.
Primera etapa de compresión, 4,000 – 13,000 rpm
Segunda etapa de compresión, 7,000 – 25,000 rpm
Primera etapa con engranajes (lubricado por aceite)
Segunda etapa con engranajes (lubricado por aceite)
Caja de engranajes principal (lubricado por aceite)
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2. Produciendo aire comprimido
2.2.1.2
Ventajas de los compresores de tornillos KAESER
El mundialmente renombrado Perfil SIGMA
Perfil de SIGMA es el perfil de rotor desarrollado y fabricado
por KAESER KOMPRESSOREN GmbH. Compresores con el
perfil SIGMA tienen un menor requerimiento de potencia
especifica que los convencionales utilizando un perfil
asimétrico. El requerimiento específico de energía se calcula
dividiendo la potencia
*) en kW por la entrega efectiva en m³ / min.
*) Dependiendo del punto de referencia: potencia consumida
en el eje del compresor, potencia en el eje del motor o el
consumo total de potencia.
Fig. 2-10: Perfil SIGMA
Diseño simple unidad compresora
La unidad compresora contiene dos partes rotativas: el rotor macho y el rotor hembra o
simplemente tornillos. El rotor macho es conducido y este conduce a la hembra por lo tanto
no hay engranajes de sincronización y ningún contacto entre metales debido a que es
inyectado una película protectora de aceite. No hay una válvula de entrada o salida en el
cual pudiera haber desgaste y la unidad entrega un volumen constante de aire comprimido y
prolonga la vida operacional.
Baja temperatura de descarga
La temperatura de descarga es solamente de alrededor de 80°C, con lo cual no hay
una tendencia a quemar el aceite.
Baja temperatura de descarga desde el compresor
La alta efectividad del post-enfriador reduce la temperatura del aire comprimido hasta 5-10 K
sobre la temperatura de entrada (o sobre la temperatura de entrada del agua d e
enfriamiento). Esto permite una conexión directa a un secador refrigerativo, sin necesidad de
un enfriador intermedio.
Menos arrastre de aceite
El confiable separador de multi-etapa remueve aceite del aire comprimido
asegurando una alta calidad del aire. Dependiendo del modelo, no mas de
mg/m³ de aceite remanente en la descarga de aire comprimido.
1-3
Filtración de aire de enfriamiento (series SX a ASK)
Compresores pequeños los cuales están instalados en talleres con aire contaminado son
protegidos del polvo por paneles filtrantes limpiando el aire de enfriamiento, antes de entrar
a la maquina.
Bajo nivel de sonido
Ductos insonorizados y gabinetes a prueba de ruidos, conllevan a
extremadamente bajos niveles de ruido y permiten que esos compresores
sean instalados en casi cualquier área de trabajo. Los niveles de ruido llegan a
64 dB(A).
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2. Produciendo Aire Comprimido
SIGMA-CONTROL
El controlador Sigma está basado sobre un robusto computador
industrial con un sistema operativo de tiempo real con la
Fig. 2-11: SIGMA CONTROL
posibilidad de ac tualización. El estado operacional del compresor es rápidamente captado
con la ayuda de LED’s con colores del semáforo. El display completo está presentado en
30 diferentes idiomas y es fácilmente navegable con botones e iconos. El SIGMA control
regula y monitorea el compresor automáticamente. Una
secuencia
de
seguridad
apaga
la
maquina
automáticamente en caso de un e vento de alarma. Un
modo de control económico, puede ser seleccionado
según los ciclos de consumos, es posible elegir entre
Dual, Quadro y Vario (proporcional). El controlador está
equipado con interfases RS 232 para conectar un
MODEM o impresora y un RS 485 para conectarse a un
Segundo compresor, secuenciando la carga base. El
controlador tiene la capacidad de conectarse a una red
de datos vía Profibus DP y también tiene contactos libre secos disponibles para
intercambiar señales con un sistema de control central.
Cadena de seguridad
La secuencia de la cadena de seguridad, tiene la capacidad de apagar y supervisar:
· Temperatura de descarga de la unidad compresora
· Temperatura de motor y corriente
· Dirección de rotación.
Motor
Premium
alta son
eficiencia
El motor
principalde
usado
de una eficiencia óptima y cumplen con los
estándares de la norma EFF1 (EPACT)
Bajas pérdidas de transmisión de potencia
1:1 Potencia es transmitida a través del acoplamiento directo o vía correas múltiples de alta
eficiencia con tensionamiento automático en maquinas pequeñas.
Mantenimiento simple
El sistema de monitoreo incluye, indicadores que reciben información para simplificar el
mantenimiento. Características especiales:
- Indicación de filtro de aire saturado.
- Indicación de filtro de aceite saturado.
- Indicación de separador de aceite saturado.
- Con la presión interna, ayuda a la evacuación del aceite.
- Acoples rápidos simplifican el trabajo de mantenimiento.
- Mirillas de aceite muestran el nivel de un vistazo
- Engrasadores accesibles permiten el fácil re-engrase de los cojinetes de motor en
movimiento (desde serie BSD)
Potente sistema de ventilación
El ventilador radial tiene la suficiente capacidad para extraer el aire a través de ductos.
Soportes internos y externos anti-vibración
Componentes especiales antivibratorios en soportes y acoplamientos de tuberías.
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2. Produciendo Aire Comprimido
2.2.1.3
Compresores rotativos dentados
Aplicación
Compresores de dientes rotativos son utilizados para baja y media presión y compresión
libre de aceite.
Diseño y función
Igual que en compresores rotativos y compresores de paleta, los de diente rotativo
funcionan bajo el principio de desplazamiento positivo
El elemento de compresión consiste en una carcaza donde 2 perfiles dentados rotativos
giran en forma opuesta. Estos rotores pueden ser simples o dobles según el fabricante. Los
rotores no están en contacto metálico entre ellos en la pared de la carcaza.
Al pasar un diente por la cámara interna, esta se llena de aire y posteriormente comprime
Durante la rotación la cámara se contrae comprimiendo el volumen aire atrapado hasta
alcanzar el orificio de descarga y el aire comprimido es expedido a la red.
Orificio de Admisión
Orificio de Descarga
Características
Lubricación de la cámara de compresión: no es necesaria, contacto es prevenido
engranajes
Caudal:
2 a 12 m³/min
Etapas:
1a2
Rango de presión:
1-etapa hasta 3.5 bar, 2-etapas hasta 8 bar
Revoluciones:
3,000 a 25,000 rpm
Enfriamiento:
aire o agua
è
Mas silenciosos comparados con compresores de pistón libres de aceite.
Desventajas
· Alto consumo eléctrico
· Presión maxima 8 bar
· Dos etapas necesarias para máxima presión con intercambiador de refrigeración.
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Manual de Aire Comprimido Kaeser
2. Produciendo Aire Comprimido
2.2.1.4
Sopladores rotativos
Aplicación
Sopladores Rotativos son encontrados en aplicaciones donde
se requiere gran volumen de aire libre de aceite, baja presión,
como en el transporte neumático de polvo o granulado,
limpieza de f iltros y aireación de estanques de agua y
tratamiento de tanques.
Otras aplicaciones son en ingeniería de vacio para limpieza
por succión y accionamiento de maquinaria de ordeña.
.
Diseño y funcionamiento de sopladores bi-lobulares
Sopladores Rotativos pueden ser de etapa simple o 2-etapas y rotores interconectados en el
principio de la compresión externa.
Un volumen de aire (u otro medio gaseoso) es atrapado entre los lóbulos del rotor y la
carcaza y transportado al orificio de descarga sin haber sido internamente comprimido. El
orificio de salida el aire es empujado contra cualquier contrapresión en la línea de descarga,
el grado de compresión es el diferencial en presión en el orificio de admisión y descarga, ej.
Contra-presión en la línea de descarga.
Fig.2-15: Función del soplador rotativo
Características
Caudal:
Características de flujo:
Número de etapas:
Rango de presión:
Conveying chamber lubrication:
Accionamiento:
Revoluciones:
Velocidad rotor periférico:
hasta 1,200 m³/min
2 pulsaciones por ciclo* de operación
1a2
0.5 a 2.0 bar (absoluto)
not necessary, as timing gears prevent contact
motor eléctrico
300 a 11,000 rpm
10 a 50 m/s
(*Aplicable únicamente en rotores bi-lobulares)
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2. Produciendo Aire Comprimido
Diseño y Funcionamiento de un soplador de 3 lobulos
Fig. 2-16: soplador rotativo de 3 lobulos
Los sopladores rotativos de 3 lobulos son un medio útil para la producción de aire
comprimido con muy poco efecto de pulsación. El trabajo de este elemento se basa en el
mismo principio de los equipos de 2 lobulos con un consumo de energía adicional.
Sopladores compactos
La eficiencia juega un papel importante en las aplicaciones de sopladores, con la atención
puesta en bajos costos de operación, baja energía específica y requisitos básicos de
mantenimiento. La serie compacta de Kaeser requiere de un mínimo espacio y contribuye al
ahorro con la reducción de gastos de instalación. La r educción de emisión de ruido en la
fuente significa menor gasto de amortiguación del ruido en la habitación y los equipos como
tal son particularmente seguros y confiables.
Fig.2-17: Soplador Compacto Kaeser
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2. Produciendo Aire Comprimido
2.2.2
Compresores rotativos de eje único
2.2.2.1
Compresores de paleta
Aplicación
Los compresores de paleta son usados en aplicaciones de bajas presiones y vacío.
Diseño y funcionamiento
Paletas se insertan en las ranuras longitudinales en u n rotor, montado en una carcasa
cilíndrica. La fuerza centrifuga mantiene las paletas presionado contra la carcasa, que separa
las cámaras de todo el rotor. Estas cámaras se expanden y contraen en volumen, colocando
la máquina en la categoría de los compresores de desplazamiento.
El puerto de entrada se encuentra en el punto en qu e las cámaras, formada por el rotor,
paletas siendo
y gabinete,
se están
El aire es extraído y llevado por el
rotor,
atrapado
y expandiendo
comprimido en
porvolumen.
la
contracción de la cámara, hasta alcanzar el puerto
de descarga donde el aire es empujado hacia la red
de aire.
Los compresores de paleta pueden ser de un a o
varias paletas, de simples o múltiples carcasas y
refrigerados por aire o agua. Pueden ser lubricados
o inundadas de aceite y las paletas puede ser
metálicas o de plástico.
Fig 2-18: Principio de
compresor de paleta
Características
Entrega:
Características del caudal:
Número de etapas:
Rango de presión:
Enfriamiento:
Conducción:
Velocidad:
0.2 a 180 m³/min
Relativamente suave en comparación con el flujo de
compresores de pistón.
1 ó 2, 2 son requeridas para presiones sobre 4 bar
1 a 10 bar manométrico y en vacío hasta 1 x 10-3 bar
Aire, agua o inyección de aceite.
Motor eléctrico o motor diesel en equipos portátiles.
400 a 3,600 rpm
Velocidad perimetral de paletas:
12 a 20 m/s
Desventajas
· Altos costos de mantenimiento debido al desgaste de las paletas.
· Pérdida de eficiencia relativamente alta debido a la sustitución irregular de Paletas
· Alto consumo de aceite (con aceite de lubricación fresco)
· Limite de presión a 10 bar.
· Máquinas con aceite de lubricación fresca y separador aireador, producen aire comprimido
con un alto contenido de aceite.
· Antieconómico a altas presiones.
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2. Produciendo aire comprimido
2.2.2.2 Compresores de espiral
Aplicación
Los compresores de espiral (Scroll) están especialmente indicados para
bajo volumen, compresión de aire libre de a ceite y particularmente en la
refrigeración del enfriamiento de ai re comprimido y sistemas de aire
acondicionado.
Diseño y funcionamiento
La compresión se produce entre dos discos enfrentados con forma de espiral; un espiral es
fijo y el otro posee un movimiento orbital. El movimiento orbital del espiral interior abre una
cavidad en el punto exterior del espiral fijo, Donde el medio a ser comprimido es retirado.
Más movimiento orbital mueve el volumen atrapado alrededor del espiral hacia su centro,
comprimiendo en el camino y descargando desde el puerto en el centro del espiral.
1
2
4
3
Fig. 2-20: Principio compresor Scroll
Características:
Caudal:
Características de caudal:
Rango de presión:
Lubricación de la cámara de compresión:
Velocidad:
Hasta 1.5 m³/min
Ininterrumpido y sin pulsaciones
Hasta 10 bar
Ninguno
Hasta 3,100 rpm
Desventajas
· Alta temperatura media de descarga
· Considerable deslizamiento a alta presión, lo que conlleva a un alto requerimiento de
potencia específica.
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2. Produciendo Aire Comprimido
2.2.3 Compresor de Pistón
Definición
Compresores de Pistón son maquinas de desplazamiento positivo. Un pistón succiona aire y
subsiguientemente lo comprime a través de un cilindro que esta encerrado en un lado por
válvulas autoactivadas.
Diseño y Función
El movimiento hacia abajo del pistón crea un vació
en el cilindro, resultando, que se succiona el gas
(aire) hacia adentro a través de la válvula de
admisión (1). En el movimiento hacia arriba, la
válvula de admisión se cierra y el gas contenido en
el cilindro se comprime hasta que la presión dentro
del cilindro excede la presión de afuera de la válvula
de descarga (2) y la abre por el diferencial de
presión.
1
2
El movimiento reciprocante es cíclico, entregando
aire comprimido en p ulsos. La torsión sobre el
cigüeñal también es cíclica, subiendo y bajando de
acuerdo a la posición del pistón.
El volumen aspirado del pistón es el producto de su área frontal y su carrera. El volumen
aspirado es menor que el volumen del cilindro; la diferencia se conoce como espacio
muerto.
Pérdidas
· Volumen de entrada se pierde por
válvulas o filtros tapados.
· Pérdidas en la salida se producen por
gas escapando por adelante del
pistón.
Fig.2-22: Succión
Fig.2-23: Compresión
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2. Produciendo Aire Comprimido
Espacio Muerto
1 bar (abs) 8 bar
El “espacio muerto” representa una potencial pérdida de
aire entregado y por tal motivo debe ser lo mas chico
posible. El tamaño del “espacio muerto” o “perdida”
depende de varios factores:
Espacio
Top dead centre
- Tolerancias de la fabricación
- Espacio necesario para el funcionamiento de las válvulas.
- Espacio necesario para acomodar
la expansión
longitudinal termal del pistón y de la manivela
Stroke
Bottom dead centre
Perdidas de entrega causadas por el “espacio muerto”
El aire comprimido en el “espacio muerto” no s ale de la
cámara y se descomprime cuando el pistón esta en
movimiento hacia abajo, hasta que su presión es menor que
la presión fuera de la válvula de entrada. Eso es cuando se
cree un vació y la válvula de entrada se abre entrando el
gas en el cilindro durante el resto del movimiento del pistón
hacia abajo.
1 bar
Decompresión
Fig. 2-24: Esapcio
8 bar (abs)
TDC
Stroke
BDC
Entrega efectiva
Pedidas de salida
Calentamiento del aire entrante
Espacio Muerto
Fig.2-25: Descompresión del gas
en el espacio muerto
Perdida de presión de entrada
Diagram 2-26: Composición del
desplazamiento teórico
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2. Produciendo Aire Comprimido
Tipos de compresores de pistón
Los distintos tipos de compresores de pistones se distinguen por los siguientes criterios:
-
Número de etapas: simple o múltiple.
Según su forma de pistón: De cámara o Lisos.
Según si funcionan lubricados o secos (también llamado libre de aceite).
Según sus medios de transmisión: correa o acople directo.
Según el número y disposición de los cilindros
De acuerdo a s i entregan directo el aire comprimido o s i se combinan con (montado
sobre) un estanque de aire.
- Según si funciona al aire libre o en un gabinete insonorizado
- Según el tipo de gas que comprime: aire, nitrógeno o helio.
De una etapa de compresión
Presión final de compresión en una
carrera
Dos etapas de compresión
Gas comprimido desde el primer cilindro
pasa a través de un enfriador intermedio
al segundo cilindro donde es comprimido
hasta la presión final.
Fig. 2-28: Dos etapas
de compresión
Fig. 2-27: Compresión de una etapa
Acción simple de compresión
La compresión se genera una vez con cada
revolución del cigüeñal (véase el ejemplo de
una sola etapa de compresión)
Doble acción de compresión
La compresión se lleva a cabo dos veces
con cada una de las revoluciones del
cigüeñal (ver derecha).
Fig. 2-29: Compresor
de acción doble.
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2. Produciendo Aire Comprimido
Eficiencia volumétrica de compresores de
pistón
2-estapas
Los compresores de una y dos etapas
tienen diferentes eficiencias volumétricas,
la razón es que el aire liberado en la
primera etapa es enfriado antes de entrar
en la segunda etapa lo que reduce la
perdida de d escompresión de aire en el
espacio muerto.
El diagrama adjunto muestra las
diferencias en la eficiencia volumétrica
entre compresores de una y dos etapas.
Cabe señalar que los sopladores son más
económicos para compresión de baja
presión. Otro punto es el elevado costo de
)
%
(
λ
a
ic
rt
é
m
lu
o
v
ia
c
n
e
i
c
fi
E
adquisición de un compresor de pistón de
dos etapas, por lo que suelen ser usados
sólo para presiones por encima de 10
bares.
1-etapa
Presión p [bar (ü)]
Fig. 2-30: Eficiencia volumetrica de un compresor de
una y dos etapas
La eficiencia volumetrica es calculada con la siguiente formula:
Entrega efectiva
Eficiencia Volumétrica λ =
Desplazamiento teórico
Ventajas del compresor de pistón
· Capacidad para comprimir todos los gases mas comunes.
· Eficiente a presiones por encima de 15 bar.
· Económico como recompresor (Booster)
Desventajas
·
·
Mayor consumo de partes de desgaste
Entrega de aire con pulsaciones.
Fig. 2-31: Compresor
de una etapa
Compresores de pistón como recompresores (Boosters)
Grandes sistemas de aire comprimido a veces requieren de aire a diferentes presiones. En
tales
casos,
es económico
para
configurar el
sistema
encuando
el nivelsea
más
bajo de presión
y utilizar
un recompresor
para
proporcionar
una
mayorglobal
presión
necesario.
Fig. 2-32: Sistema de aire comprimido hasta 13 bar con un recompresor hasta 45 bar
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2. Produciendo Aire Comprimido
2.3 Compresores dinámicos
2.3.1 Turbo compresores radiales
Aplicación
Los turbo compresores radiales proporcionan constantes y grandes caudales a baja presión
y se encuentran principalmente en la industria petroquímica, en el acero y la fabricación de
automóviles
Diseño y funcionamiento
La forma geométrica de los alabes de
la turbina, girando a gran velocidad,
causa que el aire sea extraído a l o
largo del eje del impulsor. Este aire
es acelerado y arrojado hacia el
exterior por la fuerza centrífuga. A
medida que el aire a al ta velocidad
sale del impulsor para entrar a la red
o en la próxima etapa de compresión,
el difusor la torna mas lento y su
energía cinética la convierte en
energía a presión. El requerimiento
de potencia específica de los turbos
compresores,
como
todos
los
compresores dinámicos, depende en
gran medida de la densidad real del
aire y su temperatura.
Aire
Aire
Eje transmisión
Bild 2-33: Impulsor radial simplificado
Dirección de rotación
y flujo de aire
Fig. 2-35: Representación simple de un turbo compresor radial de un solo eje
Fig. 2-34: 3D-depieze de
un impeller
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2. Produciendo Aire Comprimido
Características de un Turbo Compresor Radial
Entrega:
35 – 1,200 m³ / min
Características del flujo:
suave y libre de pulsaciones
Numero de etapas:
1a6
Rango de presión:
3 – 40 bar
Enfriamiento:
normalmente enfriado por agua
Lubricación cámara de compresión: Ninguna
Propulsión:
motor eléctrico o turbina a vapor
Rango de velocidad:
Velocidad periférica del impulsor:
3,000 – 80,000 rpm
80 – 300 m / s
Límite de bombeo
Bombeo gráfico
Regulación de la curva con P = constante
P
50%
80%
100%
V
Fig. 2-36: Regulación de un Turbo Compresor
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2. Produciendo Aire Comprimido
2.3.2 Compresor Turbo Axial.
Aplicación.
Se usan compresores de Turbo con impulsores axiales para producir volúmenes muy
grandes de aire a presión baja. Ellos tienen una gama amplia de usos en generación de
potencia eléctrica, los procesos industriales y en artefactos de aviación. Una aplicación
típica está en la licuefacción de gas natural.
Diseño y Función.
Un compresor del turbo axial se
compone de u na serie de i mpulsores
esparcida con anillos de hojas de la
guías estáticas. Los impulsores atraen
y aceleran el aire que entonces
impacta
hojas estáticas
y al
frenarse en
se las
comprime.
Cada juego
sucesivo de impulsores y hojas acelera
y frena el aire. La dirección de flujo es
paralela al árbol del paseo.
Fig. 2-38: Despieze de un
compresor turbo axial
Características de Compresor Turbo Axial.
Entrega:
Características de Flujo:
Numero de fases:
Rango de Presión:
Refrigerando:
600 – 30,000m³/min
Liso y impulso libre
10 a 25
0 – 6 bar
Normalmente refrigerado por agua pero es posible
refrigerar vía ductos
Lubricación de cámara de condensación: Ninguno
Transmisión:
motor eléctrico o turbina de vapor
Rango de Velocidad.
6,000 – 20,000 rpm
Velocidad periférica del impulsor: 150 – 320 m / s
Das KAESER–Druckluft-Seminar
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22
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Manual de Aire Comprimido Kaeser
2. Produciendo Aire Comprimido
2.3.3 Caracteristicas de turbo compresores
Comparación de compresores de tornillo y turbo compresores.
Tornillo
Turbo
Versión normal – aire de refrigeración: libre
de costo en refrigeración,limpieza simple.
Disponible sólo cuando es refrigerado por
agua:
medio de refrigeración muy caro, la calidad de
el agua requiere a menudo un intercambiador
de calor, costos de limpieza muy altos.
Necesita sólo un enfriador combinado para el Un compresor de tres etapas (8-10 bar)
aire comprimido y circuito de aceite
necesita dos etapas de refrigeración,un
postenfriador (para el aire comprimido) y un
enfriador de aceite
No requiere base especial de montaje.
Se requiere una basa especial según el
tamaño de la máquina.
Mando óptimo por la selección de
compresores más pequeños para el manejo
de carga,en combinación con un controlador
maestro inteligente.
Rango de control aproximado. 80-100 %:
para la entrega debajo de el 80% el aire que
ha soplado fuera, de la primera fase, produce
perdidas de energía y tiempo-limitado al 10 15 veces por hora aproximadamente.
No necesita bomba de aceite de lubricación Necesita bomba de aceite adicional para los
adiciona para la maquina.
rodamientos lisos: consumo de energía más
alto.
Se utilizan motores de t res fases El motor necesita un alto voltaje según la
aprox.400V: partes de repuesto baratas y capacidad de la maquina: motores
fáciles de reemplazar.
principalmente especiales, largos tiempos de
entrega para reemplazo y los costos altos.
Datos de actuación según ISO 1217: Los datos de la actuación del fabricante
claramente comprensible debido a la Norma normalmente se refiere a temperaturas de la
internacional.
entrada elevadas desde que el aire está más
ligero en la temperatura más alta y la presión
más baja considerando que la media
temperatura anual en Alemania está
alrededor de 10 °C que dan actuación más
baja bajo las condiciones operacionales
reales: la actuación óptima sólo puede
sostenerse a la temperatura de agua de
refrigeración óptima y cualquier elevación de
esto produce un baja eficiencia.
Menos válvulas se requieren para el control El control y las técnicas de monitoreo más
de la maquina.
alto lo que la hace ser más cara (p.e. la
temperatura productiva cambia): riesgo más
alto de falla.
Table 2-1:
Comparación de compresores de tornillo y turbo compresores
KAESER Compressed Air Seminar
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3.
Tratamient o de Air e
3.1
El significado de la Calidad del Aire
3.2
Humedad, Condensado
3.3
3.4
Enfriamiento del Aire Comprimido
Separación mecánica inicial
3.5
Métodos de secado
3.5.1
Condensación
3.5.1.1
3.5.1.2
Secadores refrigerativos
Sobre Compresión
3.5.2
3.5.3
Difusión
Sorpcion
3.5.3.1
3.5.3.2
Secado por Absorción
Secado por Adsorción
3.6
Filtración
3.7
VDMA Recomendaciones para Calidad de Aire
Comprimido en la Industria Alimenticia
3.7.1
3.7.2
3.7.3
Maquinaria de empaque para alimentos y farmacéuticos
Aire Comprimido en contacto directo con el producto
Aire Comprimido Esteril
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1
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3. Tratamiento de Aire
3.1 El sig nificado del Tratamiento de Aire
Las impurezas en el aire que respiramos generalmente no son
visibles. No obstante, pueden tener efectos nocivos en el
funcionamiento confiable de sistemas de aire comprimido o
herramientas neumáticas.
La pregunta de cual nivel de calidad de aire puede lograrse está
siempre erroneamente relacionada con los diversos sistemas de
produccion del aire comprimido. Especialmente discusiones en
Bild 3-1: Verschmutzte Luft
donde si la alta calidad del aire puede ser producida con
compresores refrigerados por aceite o libres de aceite están basadas en una alta base
emocional y están orientadas más a aspectos de mercadeo que a probar los hechos como
tal. En los intereses del usuario final de aire comprimido, esto no puede ser enfatizado a tal
punto que las discusiones sean influenciadas por emociones o perjuicios personales.
Cada compresor - libre de aceite o refrigerado con aceite – puede ser comparado con
una aspiradora gig ante.
Esta no sólo succiona oxígeno y nitrógeno, tambien todas las impurezas en el aire y de no
ser tratado el aire pasará en una alta concentración a los sistemas de aire comprimido
(fig. 3-2).
Aire Atmos féric o
Ai re Co mp ri mi do 7 bar
Fig. 3-2: Independiente del tipo de compreso, estos succionan aire contaminado y concentran estas impurezas varias veces
Así como las usuales partículas sólidas, altas concentraciones de aerosoles de aceite
mineral, hidrocarburos, dióxido de sulfuro, cobre, plomo y muchas otras impurezas están
presentes
(Fig. 3-3
toproductos
3-7). Bajosensibles
ninguna ocircunstancia
se recomienda el contacto de esta
peligrosa mezcla
con
partes de máquinas.
mg/m
12
10
Fig. 3-3: Concentraciones de niebla de
aceite en varias zonas de la planta
8
6
4
Gear grinding shop
Drilling shop
Turning shop
Enclosed roduction
2
0
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
Time
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3. Tratamiento d e Aire
Proporción en %
Anteil in %
40
30
20
10
0%
0-5µm
Fig 3-4: Partículas sólidas en el aire
5-10µm
10-20µm
20-40µm
40-80µm
Size
Größe
Contaminantes como los hidrocarburos, dioxido de sulfuro y material particulado son
también contenidos en el aire y son significativamente concentrados después de la
compresión.
Hydrocarbons - content in the air (incl. CH4)
Location: Ludwigshafen - town centre
max. half-hour average 2004 in mg/m³
3,000
2,500
2,000
1,500
1,000
0,500
Fig 3-5: Hidrocarburos en el aire
0,000
J an
Feb
Mrz
Apr
Mai
J un
J ul
Aug Sep
Okt Nov Dez
(incl. Aerosoles y metano)
SO2 - content in the air
Location: Ludwigshafen - town centre
max. half-hour averagee 2004 in µg/m³
120
100
80
60
40
20
0
J an
Feb
Mrz
Apr
Mai
J un
J ul
Aug
Sep
Okt
Nov
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Dez
Fig 3-6: Dioxido de sulfuro
contenido en el aire
3
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3. Tratamiento de Aire
PM10 Particulate matter content (particles < 10 µm)
Location: Ludwigshafen town centre
Monthly average 2004 in µg/m³
45
40
35
30
25
20
15
10
5
0
Fig 3-7: Material Particulado
an
Feb
Mar
Apr
May
une
uly Aug
Sep
Oct
Nov Dec
contenido en el aire
Resultados de un defic iente tratamiento del aire
Contaminantes como la suciedad, aerosoles y vapor de agua se encuentran en aire
comprimido sin tratar. Si el aire comprimido no se trata, se tendrán serios resultados tanto
en el sistema de distribución del aire como en los usuarios (herramienta neumática, etc). La
tubería corroida y herramienta en mal estado llevan a altas pérdidas totales (ver figuras 3-8 y
3-9), como consecuencia se tendrán altos costos de reparación y tiempos muertos.
Fig 3-8: Atornillador estropeado
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Fig 3-9: Tubería corroida
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3. Tratamiento de Aire
Estándar d e Calidad d e Aire Compri mid o ISO 8573-1
Los Estándares internacionales ISO 8573-1 son de gran ayuda para seleccionar
correctamente el sistema de producción de aire comprimido y su tratamiento. Reemplaza
términos de calidad imprecisos como ”libres de agua”, “libres de aceite”, o “libres de polvo”
por valores numéricos simples y los encaja en tipos de calidad según su definición. Esta
tabla clasifica claramente los sistemas individuales de compresión en relación a la calidad
del aire producido. En esta tabla, dependiendo de las condiciones operacionales casi no
hay diferencia en contenido remanente de aceite en el aire comprimido producido por
compresores de aceite y libres de aceite En lo referente a remoción de partículas, el
compresor de tornillo lubricado tiene una ventaja en la calidad del aire debido a su filtro
integrado 1µm. En cambio, cuando hablamos de contenido de humedad en el aire, ambos
tipos de compresores son similares en la clase 6 porque ambos tipos pueden entregar
únicamente aire con 100% de saturación de humedad
ISO
8573-1
Class
Max. particle count per m³ of particles
£ 0.1
0.1< d £ 0.5< d £
0
2
3
4
5
6
7
8
9
Moisture
Solid particles / dust
1.0< d £ µm mg/m³
as specif ied by user
1
0
1,000
10
10,000
500
-
-
100
100,000
-
-
-
-
1,000
-
-
-
-
-
-
Pressure Dew
Point (x=liquid
water in g/m³ )
Oil
content
mg/m³
-
-70 °C
-40 °C
£ 0.01
-20 °C
£ 1.0
-
-
+3 °C
£ 5.0
20,000
-
-
+7 °C
-
-
-
£5
+10 °C
-
-
-
-
40
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
£
5
x
£ 10
0.5
5.0
£
£
£
0,5
x
x
£
£
£ 0.1
-
5.0
-
10.0
-
Table 3-1: Lista de las diferentes clases de calidad en ISO 8573-1
En el año de 1974, el Instituto Americano de Petróleos señalo lo siguiente en la directiva del
API RP 550:
1. En todos los casos, el aire comprimido utilizado en la industria petroquímica deberá ser
secado con un secador hasta llegar a un punto de humedad exacto.
2. Deberá tener un filtro integrado para prevenir desgaste ocasionado por partículas.
3. El suministro de aire comprimido libre de aceite solo se puede asegurar con la utilización
de un filtro de carbón activado tanto en los compresores refrigerados por aceite como en los
compresores libres de aceite con el fin de separar los vapores de aceite del aire.
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3. Tratamiento d e Aire
Fig 3-10: Calidad de aire que se logra con compresores refrigerados por aceite y libres de aceite.
Los sistemas de tratamiento de aire se instalan después del compresor siempre y cuando
una calidad de aire precisa sea definida. Solamente los sistemas de tratamiento pueden
garantizar y mantener una calidad de aire definida. Los sistemas de aire ilustrados difieren
respecto al punto de rocío (PDP) requerido. El empleo de un secador refrigerativo es
suficiente para garantizar un PDP de hasta +3°C, mientras que un secador desecante con
un mayor consumo de energía, es requerido para PDP por debajo de 0°C.
Los filtros deben ser usados cuando se requiera suministrar una mayor calidad de aire.
En una fábrica convencional, un sistema de aire comprimido solo necesita un compresor, un
tanque acumulador que funcione también como tanque separador de condensados y un
secador refrigerativo. Esta no necesariamente debe tener un sistema complejo de filtros,
esto
reduce considerablemente
consumo de
energía
y lasde
necesidades
de mantenimiento.
En contraste,
filtros de partículaseladicionales,
filtros
o torres
carbón activado
y filtros
estériles tienen que ser usados para garantizar la calidad de aire requerida, dependiendo de
la aplicación: en el aire de instrumentos, aire de proceso o aplicaciones alimenticias. Esto es
posible con una combinación de filtros y secadores y aplica para todos los sistemas de aire
comprimido estándar.
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3. Tratamiento d e Aire
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3. Tratamiento de Aire
3.2 Humedad y Condensado
La mezcla de aire y vapor de agua es llamado humedad y esta puede variar entre los límites
de aire seco y aire totalmente saturado.
Humedad
La humedad describe el vapor de agua contenido en el aire atmosférico. Este es expresado
por humedad absoluta y describe la cantidad actual de vapor de agua contenido en un
metro cúbico de aire. En términos simples, frecuentemente hablamos de la humedad en el
aire pero realmente nos referimos a la humedad relativa, la cual representa la relación de la
humedad absoluta con la humedad máxima.
Humedad máxima describe la cantidad de vapor de agua que un metro cúbico de aire
puede sostener a una temperatura definida. Cuando el aire es saturado, por ejemplo,
contiene
la máxima
la humedad
relativa escomo
de 100%.
Con el en
incremento
de
temperatura,
el aire humedad,
puede capturar
más humedad,
se muestra
el siguiente
diagrama. En la práctica, la capacidad de absorción depende de la presión → unit [g / m³].
250
]
³
m
/
g 200
[
x
a
m
h 150
a
m
iá
x
100
M
d
a
d
e 50
m
u
H
0
0
2
-
4
1
-
8
-
2
-
4
0
1
6
1
2
2
8
2
4
3
0
4
6
4
2
5
8
5
4
6
0
7
Punto d e Rocío [ °C ]
Fig 3-12: Maximum humidity in the air at corresponding dew points
Punto de rocío
El punto de rocío del aire atmosférico a 1 bar(a) es llamado punto de rocío atmosférico .
Describe el estado saturado al cual el aire tiene la máxima carga de humedad a una
determinada temperatura. Si el aire se enfría por debajo de esta temperatura se formará
rocío, por ejemplo, exceso de humedad condensará el agua del aire.
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3. Tratamiento de Aire
Demostr ación de punto d e rocío y humedad
Vamos a asumir que la temperatura en un cuarto es de 20°C con
una humedad relativa del 60%. Si un vaso se llena con cerveza a
una temperatura de 8°C, el aire alrededor del vaso se enfría y su
humedad relativa disminuye. A la temperatura aún mayor que la de
la cerveza con la cual se logra una humedad relativa del 100% el
aire se satura. Este no puede manejar más humedad y el punto de
rocío se ha alcanzado. En la medida en que continúe enfriándose,
esta habilidad de contener humedad disminuye y se observa
condensada en el exterior del vaso.
Fig. 3-13: Vaso
cerveza con agua
de
El punto de rocío cambiará con las modificaciones de presión. Esto se llama presión de
punto de rocío y se refiere al aire comprimido en su estado operativo. Cuando el aire es
comprimido el punto de rocío se incrementa. Cuando el punto de rocío se alcanza, el aire se
carga con la máxima humedad para esa presión y esa temperatura. Si la presión se
incrementa o la temperatura disminuye se tendrá condensación.
→
Ver Tabla 3-2
Conversión de presión de punto d e rocío en punt o de rocío atmosférico (Fig. 3-14)
El valor del punto de rocío a presión durante el proceso de expansión de un gas de una
presión alta a una presión baja se puede encontrar en tres pasos:
1) En la escala del punto de rocío encuentre la temperatura a la que el gas estaba seco
[1], muévase horizontalmente hacia la izquierda hasta la presión a la cual el gas estaba
seco [2].
2) Muévase verticalmente hacia abajo desde este punto hasta la presión del gas cuando
este se expande [3].
3a) Muévase horizontalmente hacia la derecha desde este punto a la escala de la presión
de punto de rocío y tome el dato del punto de rocío del gas expandido. [4].
3b) Para determinar el punto de rocío atmosférico, muévase verticalmente hacia abajo
desde el punto [3] a la escala de punto de rocío atmosférico y tome el dato de la
temperatura de punto de rocío [5].
Ejemplo:
Aire
comprimido
7 bar(a) con
presión
de punto
rocío de +3°C tiene una
presión de
punto
de rocío a
atmosférico
deuna
-23°C
después
de la de
expansión.
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3. Tratamiento de Aire
60
50
40
Presión en bar
30
20
10
2
1
0
-10
3
4
-20
C
°
o
í
c
o
r
e
d
o
t
n
u
p
e
d
n
ió
s
e
r
P
-30
-40
-50
-60
-70
-60
-50
-40
5
-30
-20
-10
0
Punto de rocío atmosférico °C
10
20
30
-70
Fig 3-14: Determinación
del punto de rocío
Condensado
Altas cantidades de condensado se acumulan cuando el aire es comprimido por un
compresor. P or ejemplo, con aire libre entregado de 5 m³/min (referido a 20 °C, 70 porciento
de la humedad relativa y 1 Bar absoluto de presion atmosférica) se bombean cerca de 30
litros de agua en la red de aire durante ocho horas de operación.
20 litros de esta agua se
precipitan como
condensados en el postenfriador (a 7 Bar de presion
de trabajo y +30°C de
temperatura de salida)
Durante cualquier enfriamiento del aire
comprimido los 10 litros remanentes se
Fig 3-15: Compresor con condensado acumulado
condensarán
en cualquier punto del sistema
de aire comprimido
=> Resultando en altos costos de
mantenimiento, reparaciones e interrupciones
de la roducción.
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3. Tratamiento de Aire
Acumu lac ió n d e co ndens ado en el sec ado r e aire.
El aire sale del postenfriador del compresor a +25 °C con 100% de humedad relativa
(correspondiente a un punto de rocío de +25°C). Como se puede ver en la tabla, este aire
contiene 22,83 g de agua por cada m3 de aire de trabajo.
Se require una humedad residual de 0.117 g de agua por cada m³. Como se puede ver en la
tabla 3-2, este corresponde a una presión de punto de rocío de -40°C, lo cual significa que el
secador debe tener una retención de agua de Δx = 22.713 g/m³ .
Punto de
Rocío
°C
g/m³
Punto de
Rocío
°C
g/m³
Punto de
Rocío
°C
g/m³
Punto de
Rocío
°C
g/m³
+100
99
98
588.208
569.071
550.375
+58
57
56
118.199
113.130
108.200
16
15
14
13.531
12.739
11.987
-25
-26
-27
0.55
0.51
0.46
97
96
95
94
93
92
91
90
89
88
87
86
85
84
83
82
81
80
79
78
77
76
75
74
73
532.125
514.401
497.209
480.394
464.119
448.308
432.885
417.935
403.380
389.225
375.471
362.124
340.186
336.660
324.469
311.616
301.186
290.017
279.278
268.806
258.827
248.840
239.351
230.142
221.212
55
54
53
52
51
50
49
48
47
46
45
44
43
42
41
40
39
38
37
36
35
34
33
32
31
103.453
98.883
94.483
90.247
86.173
82.257
78.491
74.871
71.395
68.056
64.848
61.772
58.820
55.989
53.274
50.672
48.181
45.593
43.508
41.322
39.286
37.229
35.317
33.490
31.744
13
12
11
10
9
8
7
6
5
4
3
2
1
0
11.276
10.600
9.961
9.356
8.784
8.243
7.732
7.246
6.790
6.359
5.953
5.570
5.209
4.868
-28
-29
-30
-31
-32
-33
-34
-35
-36
-37
-38
-39
0.41
0.37
0.33
0.301
0.271
0.244
0.220
0.198
0.178
0.160
0.144
0.130
-40
0.117
-1
-2
-3
-4
-5
-6
-7
-8
-9
-10
4.487
4.135
3.889
3.513
3.238
2.984
2.571
2.537
2.339
2.156
-41
-42
-43
-44
-45
-46
-47
-48
-49
-50
-51
-52
0.104
0.093
0.083
0.075
0.067
0.060
0.054
0.048
0.043
0.038
0.034
0.030
72
71
70
69
68
67
66
65
64
63
62
61
60
59
212.648
204.286
196.213
188.429
180.855
173.575
166.507
159.654
153.103
146.771
140.659
134.684
129.020
123.495
30
29
28
27
26
30.078
28.488
26.970
25.524
24.143
25
22.830
24
23
22
21
20
19
18
17
21.578
20.386
19.252
18.191
17.148
16.172
15.246
14.367
-11
-12
-13
-14
-15
-16
-17
-18
-19
-20
-21
-22
-23
-24
1.96
1.80
1.65
1.51
1.38
1.27
1.15
1.05
0.96
0.88
0.80
0.73
0.66
0.60
-53
-54
-55
-56
-57
-58
-59
-60
-65
-70
-75
-80
-85
-90
0.027
0.024
0.021
0.019
0.017
0.015
0.013
0.011
0.0064
0.0033
0.0013
0.0006
0.00025
0.0001
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3. Tratamiento d e Aire
Acumu lac ió n d e co nd ens ado s en el s ecador
Se tiene un compresor con capacidad de succión de 1041 m³/h a una presión de 8 bar (g).
La temperatura del aire de entrada es 28°C a una humedad relativa de 70%. La temperatura
del aire comprimido es de 35°C.
Primero, la humedad absoluta del aire es determinada en la Fig 3-16. Muévase desde la
temperatura de entrada en el eje Y (28°C, punto [1]) a la derecha hasta la humedad relativa
del 70% [2]. Muévase verticalmente hacia abajo al eje X desde este punto y determine la
humedad absoluta del aire de 18 g/m³ [3].
Con el fin de determinar el volumen de condensado, extienda esta línea hacia abajo hasta la
línea de temperatura del aire comprimido de 35°C [4] luego muévase hacia la izquierda
desde este punto hasta la línea diagonal de la presión final de 8 bar[5]. Muévase
verticalmente hacia arriba desde este punto hasta la parábola de humedad relativa de
18g/m³ que fue determinada anteriormente [6]. Muévase horizontalmente desde este punto
a la derecha donde el contenido de humedad es 13 g/m³ [7].
De esta manera el condensado acumulado por hora es:
13 g/m³ x 1041 m³/h =13533 g/h = 13.5 kg/h
Humedad relativa [%]
)³
m
/
g
(
=
x
a
d
a
rt
n
e
e 90
d 80
s 70
e
n 60
o
i
c
i 50
d
n
o 40
c
s 30
a
l 20
a 18
a
t 10
lu
o
s
b
a
d
a 13
d
e 12
m11
u
H10
10
20
30
40
50
60
80
70
90
100
50
Temperatura de entrada [°C]
40
90
80
70
30
1 28
60
50
40
30
7
6
20
13
10
2
)³20
/m
g
(
o10
d
a
s
n
e0
d
n
o
C
3
10
18
20
30
40
50
60
70
Humedad absoluta x [g/m³]
80
90
4
5
9
50
8
7
45
6
5
40
4,5
4
35
3,5
3
30
2,5
2
1,5
1
0,5
Discharge pressure [bar]
10
15
20
25
Compressed air temperature [°C]
Fig 3-16: Forma de determinar la acumulación de condensado
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3. Tratamiento de Aire
Por qué es impor tante tratar el aire?
Las impurezas que generalmente respiramos no son apreciables a simple vista. A pesar de
este hecho, estas pueden causar efectos negativos en el funcionamiento confiable de la red
de aire comprimido y herramientas neumáticas. La calidad del aire puede también verse
afectada debido al pobre tratamiento del aire. En algunas aplicaciones, el uso del compresor
sin el correspondiente tratamiento del aire es prohibido por generar daños a la salud.
Problemas en la red:
Corrosión
Caídas de presión
Contaminación
Congelamiento
Mantenimiento
Costos
Problemas en producción:
Contaminación
Desgaste de herram
Rechazos
Tiempo muerto
Costos
Fig 3-17: Pérdidas debidas a falta de tratamiento
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3. Tratamiento de Aire
3.3 Post-enfr iamiento del aire compr imido
Inmediatamente después de la compresión, el aire tiene una temperatura de 80-200°C.
Durante la fase de enfriamiento a la temperatura ambiente, altos contenidos de condensado
se precipitan. Para asegurar que el aire comprimido no se enfríe en la red en donde el
condensado puede causar serios problemas debido a la corrosión, el enfriamiento se
desarrolla en el mismo compresor. Los compresores de tornillo modernos tienen integrado
un intercambiador de agua a o de aire o llamado también post-enfriador. Se reduce la
temperatura del aire comprimido y el contenido de agua y aceite en el aire es precipitado en
condensado. Un efecto de post-enfriar el aire comprimido es que se condensa entre el 70 y
el 80% del agua. Este condensado, el cual está mezclado con partículas de aceite, tiene que
ser drenado por un separador. El volumen de aire disponible se reduce por la acción del
enfriamiento, el cual, sin embargo, no representa pérdidas de energía debido a que el aire
se enfriaría de todas maneras en la red.
Normalmente se utiliza el enfriamiento por agua o aire. El enfriamiento por aire puede
reducir la temperatura del aire comprimido de 5-20K sobre la temperatura ambiente utilizada
para refrigerar, lo cual significa que la temperatura de salida estará entre 35 y 50°C en
verano y entre 10 y 25°C en invierno.
En un post-enfriador de agua, se espera generalmente un punto de rocío menor. La
temperatura de salida que se puede alcanzar (correspondiente a la presión de punto de
rocío) depende de la temperatura del agua de enfriamiento de entrada, la cual puede variar
considerablemente (por ejemplo, una torre de enfriamiento puede entregar el agua a aprox.
30°C mientras que agua de grifo está entre 10 y 15°C). Un análisis de eficiencia de costos,
el cual se afecta por las consideraciones anteriores, debe ser hecho en relación con el tipo
de compresores escogidos.
Post-enfriador de aire comprimdio
Válvula termostática
con filtro de aceite
Flujo de salida de
aire de
enfriamiento
Flujo de entrada
de aire de
enfriamiento
Δt
Salida de aire comprimido
Enfriador de aceite
Fig 3-18: Enfriadores del compresor de tornillo
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3. Tratamiento de Aire
3.4 Separación mecánica inicial
Para evitar sobrecargar el secador y/o incrementar el consumo de energía, se requiere una
separación inicial de condensados entre el post-enfriador del compresor y el secador. P ara
esta labor se tienen disponibles varios equipos.
Separador ciclónico
Generalmente, un separador ciclónico que forza el aire en un movimiento circular se usa
para separar el aire comprimido del condensado (turbulencia). Las partículas de suciedad
grandes y las gotas de agua combinadas en el condensado se estrellan contra las paredes
del separador por la fuerza centrífuga y caen al drenaje de condensados. El grado de
separación que se logra es cerca del 95% a 6 bar, 20°C y el flujo nominal. La caída de
presión es aproximadamente de 0.05 bar al flujo nominal.
Salida de aire
Air inlet
Plato deflector
Movimiento
ciclónico del aire
Drenaje de condensados
Fig 3-19: Separador ciclónico
Tanque acumu lador
En los tanques acumuladores ocurre cierto enfriamiento del aire
comprimido debido a la gran área de superficie resultando en una
separación de condensados. El sistema de tratamiento de aire aguas
abajo está menos cargado si se utiliza un tanque. El aire entra al
tanque por la parte inferior y sale por la parte superior. El aire es
forzado a fluir hacia arriba. Debido a la rata de flujo de aire en el
tanque, los líquidos y partículas son recolectadas en la tapa inferior
debido a la fuerza de gravedad y posteriormente expulsados por el
drenaje automático.
Fig 3-20: Tanque acumulador
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3. Tratamiento de Aire
Filtros
En tuberías húmedas, justo antes de los usuarios de aire, se
instalan filtros separadores de condensados con elemento
filtrante (aproximadamente 50 µm de retención). El aire fluye a
través del filtro mecánico (1), luego es guiado hacia abajo en
un movimiento espiral alrededor del eje central del filtro. La
fuerza centrífuga se incrementa por el plato de deflexión (2),
esta estrella el agua y partículas pesadas contra las paredes
del filtro (3). El agua separada y las partículas caen y
atraviesan la placa desviadora (4) hacia el fondo, donde
pueden ser drenadas manual o automáticamente. El aire fluye
luego a través del filtro coalescente (5) a los consumidores.
1
2
3
5
4
Fig 3-21: Muestra de funcionamiento del filtro
Tubería
Tubería dimensionada adecuadamente manejando flujo de aire con una velocidad menor a
3m/s puede también contribuir a la separación de condensado. En tuberías húmedas se
debe tener cuidado de asegurar que el condensado no entre a los ramales o a los anillos
secundarios. Un método de separación del condensados son las trampas de agua
combinadas con un drenaje de condensado como se muestra. La alimentación y descarga
del aire deben ser protegidas por tubería saliente por la parte superior o lo que se conoce
como cuello de cisne.
Trampa de condensado
Cuello de cisne
Salida
aire
de
Pendiente de
aprox. 2 ‰
Trampa
agua
de
Drenaje de
condensados
Fig 3-23: Tampa de agua con drenaje de
condensaods
Fig 3-22: Drenaje de condensados en la red
Como se describe arriba, el condensado acumulado en una zona húmeda de la red de aire
se debe a enfriamiento de la tubería y puede ser drenado a través de trampas de
condensados. Esto es efectivo si de tiene en cuenta tanto su instalación como
mantenimiento, también puede apoyarse por un sistema de manejo de condensados con
mínimo costo y esfuerzo.
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3. Tratamiento de Aire
3.5 Métodos de secado
De la misma manera como se genera condensado después de enfriar el aire, el vapor de
agua remanente se condensará más adelante también. Esta humedad debe ser removida
antes que el aire comprimido tome su rumbo a la red de distribución. El diagrama que se
muestra a continuación indica los diferentes métodos de secado.
Métodos para
secar el aire
Difusion
Sorpcion
Abs or pc ion
Medio de secado
solido
Medio de secado
delicuescente
Condensación
Ads or pc ion
Medio de secado
líquido
Sobre pres uri zac ion
Enfr iami ento
Medio sólido de
secado
Regeneracion
Sin Calor
Calentamiento del
medio de
secado
Air e de
regeneracion
caliente
Fig 3-24: Diagrama de bloques con los diferentes sistemas de secado del aire
· Condensación
Separación del agua por la reducción de la temperatura del aire por
debajo del punto de rocío
1) Sobre presurización y subsecuente expansión.
2) Enfriamiento por circulación de refrigerante en un secador
refrigerativo.
· Sorpción:
Remoción de humedad.
·
o
Adsorpción:
Un proceso físico.
La humedad es capturada por el medio de secado por la fuerza
molecular
o
Absorpción:
Un proceso químico
Moisture is separated by chemical reaction with the drying medium
Difusión:
El vapor de agua se desprende a través de membranas como el
resultado de un cambio parcial en la presión.
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3. Tratamiento de Aire
3.5.1 Condensació n
3.5.1.1 Secadores refrigerativos
Secado por método de refrigeración usando un secador refrigerativo K AESER
Secotec
La refrigeración es el sistema más común de secado del aire. Durante este proceso, el aire
se enfría a una temperatura cercana a la de congelación. Esto lleva a generar una buena
porción de condensado en el aire, el cual es removido por un separador de condensados y
un drenaje. El enfriamiento toma lugar en dos etapas, como se muestra en la fig 3-25.
Primero, el aire comprimido que entra pasa a través de un intercambiador [2] utilizando
como medio refrigerante el aire que va saliendo del secador, de la misma manera el aire que
sale seescalienta
un poco
el aire de
queuningresa.
El enfriamiento
del aire formado
en la segunda
etapa
comparable
con con
el principio
refrigerador
[4]. El condensado
por la
acción del enfriamiento es separado del aire comprimido por un separador multi etapas y
libre de mantenimiento Zentri-Dry y es expulsado del secador por un drenaje de
condensados automático [5]. El aire refrigerado, es calentado nuevamente en la sección
superior por el intercambiador y abandona el secador con una humedad relativa de entre el
15 y el 20%.
La ventaja de esta clase de secadores es su alta
confiabilidad, tienen una buena relación de costo/beneficio y
pueden ser operados a un costo razonable. Es por esto que
los
secadores
son los
frecuentemente
usados
cuando refrigerativos
la presión de punto
de más
rocío esta
por encima
del punto de congelación. Enfriando el aire por debajo del
punto de congelación podría destruir el secador cuando el
condensado se congele. Los modelos modernos de
secadores vienen provistos de un regulador que justamente
previene la congelación.
Circuito de refrigeración
Comparado con los secadores refrierativos de válvula bypass de gas caliente, en el control de los SECOTEC (control
parada/arranque) existe la opción de ahorro de potencia. El
compresor del secador refrigerativo solo funciona cuando es
necesario. El requerimiento básico para este tipo de control
es la masa térmica de alta capacidad. El compresor de
refrigerante puede apagarse tan pronto como se alcanza la
temperatura más baja. Debido a que se tiene un periodo en
donde el compresor está fuera de operación gracias a la
masa térmica el sistema SECOTEC ahorra energía.
Fig 3-25: Secador refrigerativo
En secadores refrigerativos grandes, se usa un compresor de regulación de refrigerante
para ahorrar energía. En casos especiales, los secadores refrigerativos se diseñan para
beneficiar la aplicación usando secadores de alta presión o alta temperatura, por ejemplo.
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3. Tratamiento de Aire
Sistemas de separadores para secadores refrig erativos
Centriflex
El sistema Centriflex funciona en dos etapas
Primera etapa: separación
Un inserto especial de acero inoxidable separa todas las partículas menores a 10µm usando
la fuerza centrífuga y el efecto del impacto. El separador es fabricado como un cartucho y es
fácil de remover para limpieza y reutilización.
Segunda etapa: Filtración profunda
Una capa de filtro removible ubicada entre dos
cubiertas de malla asegura la retención de sólidos y
líquidos de hasta 3 µm. La capa de filtro removible es
fabricada en fibra de vidrio y funciona como un filtro
de lecho profundo con alta capacidad interna que
puede absorber de 3 a 4 veces más partículas que un
filtro de superficie. El filtro de lecho profundo es
también resistente a bloqueos debido a los residuos
pegajosos que a menudo se encuentran en los
sistemas de aire comprimido. Esta habilidad de
retener gran número de partículas sólidas sin
bloquearse significa que la caída de presión a través
del filtro se incrementa gradualmente solamente y
que se tendrá una larga vida útil con un mínimo
costo.
Entrada de aire
Agujeros
equidistantes unos de
otros.
Salida de aire
Fig 3-26: Separacipon con Centriflex
Zentri-Dry
El separador Zentri-Dry tambien funciona en dos
etapas y se encuentra, por ejemplo en los
secadores SECOTEC.
Salida de aire
Primera etapa: separación
Un separador de acero inoxidable remueve el
99% de los líquidos con un tamaño menor a
10µm.
Funciona
de y
acuerdo
con el principio de
la fuerza
centrífuga
no requiere
mantenimiento.
Entrada aire
Segunda etapa: separación
Un separador de acero inoxidable libre de
mantenimiento separa las partículas sólidas con
tamaño de hasta 3 µm y una certeza del 99.9%.
Es auto-lavable y funciona de acuerdo con el
principio de la fuerza de coalescencia. Esto
significa que se logra una menor caída de
presión.
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Fig 3-27: Zentri-Dry separation
Drenaje
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3. Tratamiento de Aire
Refrigerante
El uso tanto de CFC como R12 y R 22 no es permitido en los sistemas de refrigeración. La
tabla 3-3 muestra los refrigerantes disponibles y su impacto ambiental. Hasta el año 2000, la
mayoría de los fabricantes de sistemas de refrigeración usaban R22, y parcialmente CFC
halogenado. En comparación con R12 este tiene un desgaste de la capa de ozono
solamente del 5% y un potencial de calentamiento global del 12%. Sin embargo hoy se
prefieren refrigerantes como HFC R134a y son recomendados por las autoridades como una
alternativa al R12 y R22 debido a que tiene 0% de efecto de desgaste en la capa de ozono.
La ventaja del refrigerante R134a es que los equipos usados que funcionaban con R12
pueden ser fácil y económicamente convertidos al nuevo refrigerante. Otros refrigerantes
con 0% de efectos negativos sobre la capa de ozono como R404A y R40C están
disponibles. Aquellos son llamados “mezclas”, son el resultado de mezclar varios
refrigerantes los cuales cada uno sufre cambios de estado a diferentes temperaturas, por
ejemplo, desviaciones a la temperatura a la cual estos componentes se evaporan, se
condensan y, adicionalmente, tienen un efecto de calentamiento global más alto. R407C, por
consiguiente, puede ser utilizado solamente en aplicaciones especiales, mientras que,
debido a su baja temperatura a la que cambia de estado, R404A es interesante en donde se
requiere el manejo del altos flujos de aire de 24 m³/min o más. R410A es usado en la nueva
generación de compresores refrigerativos para altas presiones.
Refrigerante
(componentes/fórmula)
Desgast e de la capa
de ozono (ODP)
Potencial de
calentamiento global
Temperature glide
[K] *
100 %
5%
100 %
12 %
0
0
0%
8%
0
0%
26 %
0.7
0%
11 %
7.4
0%
13 %
<0.2
R 12
(CCl2F2)
R 22
(CHClF2)
R 134a
(CH2F-CF3)
R 404A
(R143a,R125,R134a)
R 407C
(R134a,R125,R32)
R 410A
(R125,R32)
Table 3-3:
Refrigerantes disponibles y su efecto en el medio ambiente
*Diferencial de temperatura: La temperatura puede incrementarse durante la evaporación y
caer durante la condensación debido a la ebullición y el punto de rocío. En refrigerantes
puros el diferencial es de 0 Kelvin.
R 22: Manufacture and use in new systems has been forbidden since 01.01.2000
R 12: Manufacture and use in new systems has been forbidden since 1995
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3. Tratamiento de Aire
3.5.1.2 Sobre-presió n
El mecanismo más simple para secar el aire es la sobre-compresión. El aire es comprimido
por encima de la presión a la cual se requiere y pierde su capacidad de retener humedad, la
cual es extraída como lo que llamamos condensado. Luego, el aire es despresurizado a la
presión requerida, reduciendo la humedad relativa y la presión de punto de rocío. Sin
embargo, este método no es económico para grandes cantidades de aire.
Secando el aire por sobre-presión en 4 etapas
Alta Humedad
Baja Humedad
Separación
de
condensado
Fig. 3-28: Principio de secado por
sobre-presión
1. Entrada de aire atmosférico.
2. Compresión hasta 300 bar
3. Enfriamiento del aire con separación del condensado precipitado
4. Descompresión a aproximadamente 15 bar (presión de trabajo)
Apli cac ió n
Conmutación de transformadores de alto voltaje.
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3. Tratamiento de Aire
3.5.2 Difus ión
Definición
La difusión es la ecualización de la concentración en dos sustancias por los movimientos
brownianos de las moléculas de la mayor a la menor concentración. El movimiento es
dependiente de la temperatura y puede tomar lugar libremente o a través de membranas
semi-permeables (osmosis).
Secado del aire comprimi do por difus ión a través de membrana
El aire comprimido ingresa a través de un prefiltro en el cual las partículas sólidas, aceite y
los aerosoles son retenidos y eventualmente evacuados. El aire purificado previamente fluye
hacia abajo por el espacio entre las membranas y la carcasa del secador, el aire luego se
desvía de manera uniforme gracias al deflector de aire de manera que el aire asciende
alrededor de las paredes externas de las fibras de membrana huecas, cualquier remanente
de partículas sólidas existentes se depositan en la base de la carcasa.
Una porción del aire seco pasa a través de las membranas huecas y fluye hacia abajo a una
salida a presión atmosférica. La expansión del volumen de este aire de purga incrementa su
capacidad de retener vapor de agua. La diferencia en concentración de moléculas de agua
entre el aire destinado para purga y el flujo principal de aire en direcciones opuestas
fomenta la difusión de las moléculas de agua desde el aire comprimido hasta el aire de
purga a través de las fibras de las membranas.
El aire comprimido seco y el aire de purga cargado con humedad abandonan el secador de
membranas por puertos independientes.
Ventajas
· Puede ser instalado fácilmente en una red
existente
· Puede ser instalado en zonas interiores o a la
intemperie.
· No es influenciado por la temperatura ambiente.
· Ideal para instalaciones en áreas con riesgo de
explosión.
Fig. 3-30: Modelo de un secador de
Fig. 3-29: Funcionamiento del secador de membrana
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membrana KMM
acondicionado con pre-filtro y
drenaje
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3. Tratamiento de Aire
3.5.3 Sorción
3.5.3.1 Secado por absorción
La adsorción es un proceso químico en el cual el vapor de agua es extraído del aire
comprimido por una reacción química con un medio secante higroscópico.
Tipos de medio secante
Solido
Delicuescente
Liqui do
Tiza deshidratada
Sales de Magnesio sobreacidas
Cloruro de Litio
Ácido sulfurico
Cloruro de calcio
Glicerina
Triethyleneglychol
Table 3-4: Drying media
Funcionamiento
Un secador absorbente (Fig. 3-31) consiste en un tanque que contiene un medio absorbente
que absorbe el vapor de agua del aire comprimido por un proceso químico. El medio
secante se derrite y debe ser drenado y reemplazado, este no puede ser reutilizado.
La presión de punto de rocío que se logra con los secadores absorbentes depende de la
temperatura del aire comprimido, la velocidad del flujo y el tiempo de uso del medio
absorbente. Es posible reducir el punto de rocío de 10 a 15°C. Las aplicaciones de este tipo
de secadores es limitada debido al consumo del medio desecante, la frecuencia de
mantenimiento y generalmente altos costos de operación.
Puerto para llenar el
medio desecante
Aire s eco
Medio
desecante
Aire
saturado
Pre-secado
Separación
mecánica
Drenaje de co ndensado
Fig. 3-31: Secador desecantes
Es absolutamente necesaria la utilización de un drenaje de los condensados del medio
desecante disuelto, debido a su alto contenido de sales el condensado corrosivo puede ser
arrastrado al aire comprimido que sale del secador con consecuencias devastadoras.
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3. Tratamiento d el Air e
3.5.3.2 Secado por adsorción
El proceso de secado por adsorción se aplica cuando se requiere aire comprimido
verdaderamente seco con presiones de punto de rocío de -40 a -70°C.
Funcionamiento
Los secadores adsorbentes emplean básicamente un proceso físico por medio del cual el
vapor es atrapado por el medio secante (desecante) por la fuerza de la cohesión. El
desecante es una esfera altamente porosa o de forma granulada en el cual el vapor de agua
se incrusta en la superficie interior y exterior de cada esfera o gránulo. La humedad del aire
comprimido, a la presión de trabajo, pasa a través de la torre llena con material desecante y
genera turbulencia asegurando que el aire entre en contacto con tanto material desecante
como sea posible. El aire comprimido va de abajo hacia arriba dentro de la torre, lo que
significa que el lecho desecante se carga gradualmente con la humedad desde la parte
inferior a la parte superior lo cual tiene la ventaja que el desecante seco se mantiene así
durante el tiempo de regeneración.
Un secador para operación continua tiene dos torres iguales conectadas en paralelo ambas
llenas con desecante, de manera que mientras una torre seca el aire a presión, la otra esta
despresurizada en la fase de regeneración del desecante (desorpción). En esta etapa, el
aire de purga pasa a través del lecho desecante de la parte superior a la inferior con lo cual
se previene que el desecante se fugue de la torre. Las dos torres están interconectadas por
medio de válvulas que alternan su operación entre secado y regeneración.
Desecante
Humedad
Secado
(Adsorción)
Regeneración
(desorpción)
Fig. 3-32: Las dos torres de un secador desecante
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3. Tratamiento de Aire
Secado por adsorció n sin calor
Fase de Secado
El aire comprimido que fluye del compresor y el tanque de aire es liberado de contaminantes
líquidos y sólidos (de partículas hasta 0.01 mm) por el filtro integrado FE (1). El aire
comprimido luego fluye a través de la válvula de cambio (2) al distribuidor de flujo en acero
inoxidable (2) en donde se distribuye proporcionalmente sobre el volumen de la cámara
desecante (3). En la zona de carga (4) la mayor porción de humedad del aire se produce
hasta el desecante por medio del proceso de adsorción. El segundo tercio de la cámara (10)
extrae la humedad restante del aire permitiendo llegar así al punto de rocío requerido. La
última parte de la cámara (11) sirve como una reserva de seguridad. El aire comprimido
sale de la zona desecante a través del difusor de salida (5) y luego es purificado de las
partículas de polvo (partículas de tamaño de hasta 1 mm) por medio de un filtro FD de
partículas (6).
Fase de regeneració n
Mientras que una torre se encuentra secando el aire, la otra se encuentra regenerándose, el
desecante es regenerado con una porción de aire que fue secado en la primera torre. Esta
purificación es guiada en contraflujo a través de la segunda torre. Debido a la expansión del
aire, su capacidad de capturar la humedad se incrementa la cual sale por la purga y de esta
forma se regenera el desecante (8). El volumen de purga requerido depende de las leyes
físicas y puede ser optimizado por medio de la purga ajustable (7). El aire de purga,
saturado de humedad, sale del secador por el silenciador de purga (9).
Diseño
El secador desecante debe ser diseñado para aceptar flujos máximos y condiciones de
máxima
temperatura
y mínima
presión el
devolumen
entrada.de Durante
los puede
periodos
dondepor
el
secador no
está funcionando
al máximo,
purificación
ser en
reducido
la opción KAESER ECO CONTROL Controlador de carga parcial, el cual ahorra grandes
cantidades de energía.
A 7 bar de presión y 35°C de temperatura de entrada, los secadores con suficiente
desecante requieren aproximadamente 14% de pérdida de aire para purga. Si el volumen
del desecante es el 60% del nominal, la purga de aire requerida se incrementa un 30%.
7
5
11
1
10
8
9
4
6
3
2
Fig. 3-33: Secador desecante por regeneración sin calor
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Fig. 3-34: Secador desecante de la serie DC
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3. Tratamiento de Aire
Secado por r egeneración in terna con calor
Fase de secado
El aire comprimido que fluye desde el compresor (post enfriador, separador centrífugo y el
tanque de aire) inicialmente fluye a través de un microfiltro el cual libera el aire de partículas
sólidas y líquidas y también de aerosoles en aceite y luego van al secador de adsorción.
El aire limpio pasa por la válvula de admisión (G) a la cámara (F), la cual está llena con
desecante, en donde se remueve la humedad del aire por adsorción. El aire sale del secador
por medio de válvula de cambio automática (J ) y es enviado a un filtro de polvo instalado a
la salida.
Fase de regeneració n
Mientras que la torre (F) esta en la fase de secado, el desecante de la otra torre (H) es
regenerado por el calor provisto por un elemento eléctrico instalado. Entre el 2 y el 3% del
aire ya seco es descompresionado y usado para evacuar la humedad de la torre que se esta
regenerando y cerca del 5% se requiere para enfriar nuevamente el refrigerante. Cuando el
desecante de la torre que esta secando esta cerca de la saturación las válvulas (G y J )
intercambian el sentido de flujo de manera que la torre que estaba regenerándose (H) ahora
esta secando. Este ciclo de cambios es manejado por un controlador basado en tiempo o
midiendo el grado de saturación.
.
J
Características
· Consumo de potencia adicional
requerida para los calentadores.
· La regeneración no se desarrolla de
F
H
la misma manera en todas partes del
lecho desecante
· Mayor costo para aislamiento térmico
G
Fig. 3-35: Diagrama de un secador adsorbente con
regeneración interna con calor
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3. Tratamiento de Aire
Secado por regeneración externa con calor
Fase de secado
El aire comprimido que fluye desde el compresor y hasta el tanque de aire luego es
purificado de contaminantes líquidos y sólidos (partículas de hasta 0.01 mm) por el micro
filtro integrado FE (1). El aire comprimido luego fluye por medio de la válvula de cambio (2)
al distribuidor de acero inoxidable (3) en donde se distribuye uniformemente sobre la sección
de la cámara del desecante. En la zona de masa de carga (4) la humedad es retenida por el
desecante por el proceso de adsorción. El último tercio de la cámara sirve como reserva de
seguridad. El aire comprimido abandona la torre desecante por el puerto de salida al
colector (5) y luego es purificado de partículas (tamaños inferiores a 1 mm) por el FD filtro de
partículas (7).
Fase de regeració n
Un soplador (10) atrae el aire ambiente, este se limpia por un filtro de entrada (9). Un
calentador (11) calienta este aire purificado a una temperatura de 120-160°C antes de ser
alimentado en contra flujo para la regeneración de la cama desecante (8) en la segunda
cámara. Cuando el proceso de regeneración ha sido terminado, en otras palabras, cuando
la humedad ha sido extraída del desecante, el calentador se apaga por medio de un sensor
de temperatura y se sigue inyectando aire frío para enfriar el desecante. En la última fase
de este procedimiento de enfriamiento el aire comprimido es dirigido a través de un agujero
de purga (6) para prevenir que el aire atmosférico sature el desecante con humedad otra
vez. Finalmente el aire de purga sale del secador por un sistema de tubería (2) al aire libre.
El volumen de aire de purga es de aprox. 2% de la capacidad del secador. Esto permite que
el punto de rocío sea bajo y constante independiente de las condiciones operativas.
6
M
11
5
1
4
10
8
9
7
3
12
2
Fig. 3-36: Secado por regeneración externa con calor
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3. Tratamiento d e Aire
Diseño
El secador debe ser diseñado para tratar el máximo flujo
de aire, a la máxima temperatura de entrada y la mínima
presión de entrada. La potencia consumida por el secador
se determina por la energía de adsorción y la temperatura
ambiente. Durante periodos en donde las condiciones del
secador no son las máximas, el volumen de aire de
purga puede ser reducido gracias al KAESER ECOCONTROL, un controlador de carga parcial, por lo que
ahora energía.
Fig. 3-37: SW series desiccant dryer
Secador combinado
La combinación de un secador refrigerativo y de adsorción ofrece una interesante y
económica alternativa para el secado del aire comprimido.
Funcionamiento
Aire comprimido húmedo ingresa a aproximadamente +35°C al secador refrigerativo en
donde el intercambiador aire/refrigerante reduce su temperatura a aproximadamente +3°C y
el condensado es evacuado por medio del drenaje. El aire sale del intercambiador con una
presión de punto de rocío de +3°C y una temperatura de +3°C, por ejemplo con una
humedad relativa de 100%. Luego el aire comprimido pasa a traves de un microfiltro que
remueve aerosoles de aceite y partículas, posteriormente entra al secador desecante en
donde se reduce la presión de punto de rocio entre -25°C y -70°C. Un filtro de partículas a la
salida del secador remueve partículas de desecante que hayan resultado de la fricción,
finalmente el aire comprimido pasa a través del intercambiador aire/aire integrado en el
secador refrigerativo en donde la temperaura del aire se incrementa a aproximadamente
+30°C.
Fig. 3-38: Diagrama P&I de un secador combinado
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3. Tratamiento de Aire
Seleccio nando el punt o de rocío
El término presión de punto de rocío (P DP) es usado para definir el grado de secado del aire
comprimido. Si se dice que se tiene una presión de punto de rocío de +5°C, significa que
este se satura con una humedad a esa temperatura, por ejemplo, este contiene cerca de 7
gramos de agua por cada metro cúbico de aire (ver tabla 3-2).
Esta relación se puede ver en la Fig. 3-39 por cada metro cúbico de aire comprimido a la
presión de trabajo. Si, por ejemplo, el aire comprimido sale del post-enfriador a +30°C, este
contiene 30 gramos de agua en cada metro cúbico de aire. Si el aire pasa luego a través de
otro secador que lo puede enfriar aún más y se logra una presión de punto de rocío de +5°C
se precipitará 30-7=23 gramos de condensado por cada metro cúbico de aire.
A continuación los puntos que se deben tener en cuenta cuando se esta haciendo la
selección del punto de rocío óptimo:
·
·
·
·
·
La temperatura del aire comprimido en el post-enfriador o en el tanque acumulador.
La temperatura ambiente de acuerdo con la estación.
La temperatura de las paredes a las cuales se va a fijar la tubería de aire.
Recorridos parciales o totales de la tubería a la intemperie.
Posible enfriamiento de la fábrica cuando no está en operación (dependiendo de las
temperaturas adentro y afuera)
100
Absolute
humidity
g/m³
Secador
refrigerativo
Secador
desecante
Postenfriad
or
0
Presión de punto de
rocío °C
40
20
0
-20
-40
Fig. 3-39: Intervalo de secado de diferentes sistemas
Observando estos puntos, se puede encontrar la temperatura más baja en la tubería. Si
parte de la tubería se encuentra a la intemperie se debe notar que la velocidad de flujo
relativa debe ser alta para prevenir que la baja temperatura ambiente alrededor de la tubería
afecte el aire comprimido.
La presión de punto de rocío debe ser más baja que la más baja temperatura del aire
ambiente o menor aún de acuerdo con algún requisito específico de la aplicación.
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3. Tratamiento de Aire
Selecció n del ti po de secador
Actualmente se utilizan cuatro tipos de secado de aire:
1. Secadores refrigerativos con presiones de punto de rocío hasta +3°C
2. Secadores adsorbentes (desecantes) con presiones de punto de rocío entre -20 y -80°C
3. Secadores adsorbentes con presiones de punto de rocío dependiente de la temperatura
del aire de entrada y parcialmente de la temperatura ambiente (por ejemplo presión de
punto de rocío +11°C con temperatura ambiente de +40°C). Este proceso es usado
solamente en casos especiales.
4. Secadores de membrana para volúmenes pequeños de aire logrando puntos de rocío de
-40°C.
Costos específicos d e secar el aire dependiendo del volumen d e flujo
€/1000 m
3.50
3.00
Secador desecante
sin calor
2.50
2.00
Secador desecante
con calor
1.50
Secador
refrigerativo
1.00
0.50
0
0 0.5
1.0
5
10
50
100
m /min
Fig. 3-40: Costos específicos de secar el aire comprimido
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3. Tratamiento de Aire
3.6 Filtración
El propósito de la filtración es asegurar que el suministro del aire comprimido esté libre de
contaminantes. Debido a que el aire circundante que entra al compresor esta contaminado
en mayor o menor grado, este debe ser filtrado; el aire comprimido que sale del compresor
debe ser filtrado posteriormente para remover cualquier contaminante sólido remanente o
partículas de líquido.
Name
Dust
Vapour / fume / smoke
Perception
Sub-microscopic
Falling tim e for 1 m
Mist
Spray
Microscopic
670
67
11
Seconds
Minutes
Rain
Visible
170
3
42 11 3.3
1.6
0.9
Casting sand
Water mist
Industrial mist
Coal dust
Road dust
Cement dusst
Pollen
Influence of Brownian molecular motion
Spores
Bacteria
Metal dust
Paint spray mist
Viruses
Oil
Tomacco smoke
Oil mist
Gas molecules
Cyclone
Separating and filtering capacity
Pore size
Normal
Heavy
Bag filter
Particle size
in µm
Act . car bo n, s il ic a gel
0.001
0.01
0.1
1.0
10
100
1000
Fig. 3-41: Tamaño de partículas de contaminantes en el aire comprimido
Fuera de la separación mecánica, los filtros son clasificados como de superficie y de lecho
profundo.
Filtros de superficie
Estos filtros aplican principalmente al mecanismo de separación mecánica. Las partículas
mayor tamaño que el poro definido del filtro quedan en la superficie, formando un bloqueo
que es relativamente fácil de remover.
Filtros de lecho profundo
Estos filtros son capas de fibras entrelazadas de manera heterogénea que combina un
número de mecanismos de separación para retener pequeñas partículas. Los mecanismos
de separación son:
·
·
·
·
·
Impacto directo
Carga electrostática
Adsorpción
difusión
Efecto Tamiz
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3. Tratamiento de Aire
Lis ta de fil tro s en orden de la retenci ón de partículas
Partículas retenidas
Modelo del fil tro
Característica
Apli cac ió n
Partículas sólidas
mayores a 3-4 µm
Filtros de Mangas
Filtro de admisión
• Atmósfera local
contaminada
Prefiltro FB
Partículas sólidas
mayores a 3 µm;
partículas de aceite <5
mg/m³
Máxima retención de
fluido: 25,000 mg/m³
• Suciedad y polvo
Partículas sólidas
mayores a 1 µm;
Prefiltro FC
Máxima retención de
fluido: 2,000 mg/m³
Filtro de partículas
FD
Usese sólamente como
filtro de partículas debido
a su gran superficie de
filtrado y por que el fluido,
al contrario que el FC,
atraviesa de afuera hacia
adentro.
• Prefiltro para el microfiltro
partículas de aceite <1
mg/m³
Partículas sólidas
mayores a 1 µm;
aceite remanente <1
mg/m³
Microfiltro FE
Partículas sólidas
mayores a 0.01 µm;
aceite remanente <0.01
• Filtro de polvo
• Usado luego de los
secadores desecantes y
torres de carbón activado
para retener partículas de
desgaste
Máximo contenido de
• Controles neumáticos,
fluido a la entrada: 1,000 elementos de medición,
mg/m³
pintura por aspersión, y
mg/m³
Partículas sólidas
mayores a 0.01 µm;
aceite remanente <
0.001 mg/m³
Microfiltro FE
Máximo contenido de
fluido a la entrada: 100
mg/m³
recubrimiento por polvo.
• Prefiltro para secadores
desecantes, de membrana
(FE solamente) y torres de
carbón activado.
Partículas sólidas
mayores a 0.01 µm;
aceite remanente <
0.001 mg/m³;
Microfiltro
combinado de
aceite y carbón
activado. FE
Máximo contenido de
fluido a la entrada:100
mg/m³.
• Industria de alimentos y
bebidas, máquinas de
soplado de botellas.
Vida útil : 1,000 horas de
• Establecimientos
operación
médicos, producción de
medicamentos y aire
respirable.
vapor de aceite
remanente
<0.003
mg/m³
Partículas sólidas
mayores a 0.01 µm;
aceite remanente <
0.001 mg/m³:
vapor de aceite
remanente <0.003
mg/m³
ACT Ads or ben te d e
carbón activado
Grado de separación
LRV >7/cm² para
Filtro esteril FST
0.01µm
de tamaño de
partículas
(relacionado a bacteria
Coli)
Aire seco a la entrada
Vida útil: 10,000 horas de
operación
100 % Aire esteril
• Industria de alimentos y
química
Vída: 24 horas de trabajo,
luego del 100 ciclos de
• Industria de empaque
regeneración si es posible. • Establecimientos médicos
y farmacéuticos
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3. Tratamiento de Aire
Prefiltr o (modelo FC)
Características
· Dos etapas, la filtración de lecho profundo provee alta eficiencia y larga vida del
·
·
·
·
·
elemento.
Remueve el 100 % del condensado.
Remueve todas las partículas sólidas de más de 1 micrón.
El remanente de aceite es menor a 1 ppm.
Drenaje de condensados automático.
Carcaza provista de un indicador de presión diferencial.
Diseño y Funcionamiento
El aire fluye a través del elemento tubular soportado por la parte superior y sale radialmente
a través de las perforaciones en la primera etapa de filtración. Esta etapa consiste en
múltiples
deburdas.
fibra deLuego,
vidrio el
soportadas
una felpa
de segunda
fibra de vidrio
cual
retiene
partículascapas
sólidas
aire fluye por
a través
de una
etapalade
filtración
que consiste en una mezcla de fibras y microfibras de vidrio. Las dos etapas retienen
partículas solidas y líquidas por la acción de la filtración de lecho profundo y de la
coalescencia. El aire sale del elemento a través de una pieza perforada.
Ap licac io nes
· Filtro general para aire de taller
· Pre-filtro antes de un filtro más fino
· Puntos finales uso cuando se utilizan post-enfriadores o secadores.
· La versión FD de filtros de partículas después de un secador desecante.
· Usado en contraflujo en dirección contraria se utiliza este filtro como de gran
superficie filtrante para retener partículas sólidas a la salida de un secador desecante
en donde la temperatura de entrada puede alcanzar los 120°C.
A
A = Indicador de presión diferencial
B = Cámara de filtración
C = Válvula de corte
D = Drenaje automático de
B
condensados
C
Fig. 3-42: Filtro de aire comprimido con elemento
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D
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3. Tratamiento de Aire
Microfilt ro (modelo FE)
Función
Partículas de aceite y agua, aerosoles y partículas sólidas por debajo de
0.01 micrones se separan del aire gracias a la interacción de tres
parametros: contacto directo, impacto y difusión.
Fig. 3-43: FE Elemento filtrante
El contacto directo ocurre cuando grandes partículas o gotas se
estrellan en una de las fibras y se adhieren a ella.
El impacto toma lugar cuando partículas o gotas son desviadas por las
fibras de material aleatoriamente ubicadas e impactan en las fibras
circundantes.
La difusión ocurre cuando pequeñas partículas y aerosoles chocan
entre ellas en el flujo del aire o se unen en las fibras debido al
movimiento molecular Browniano.
Aire Comprimido contaminado
Medio Filtrante
Aire técnicamente libre de
aceite y aire comprimido limpio
Características
El intervalo de mantenimiento de la superficie del elemento del filtro de lecho profundo es
determinado por la caída de presión (presión diferencial) que se presenta a través de el. El
máximo tamaño del elemento depende de los costos, que se está dispuesto a pagar,
involucrados en la sobre-compresión que se requiere para compensar la caída de presión.
La cual se incrementa dramáticamente con el flujo de aire, de manera que es importante que
el elemento sea lo suficientemente grande. El líquido recolectado en la base de la carcasa
es frecuentemente muy contaminado y debe ser evacuado con cierta frecuencia lo que
significa que debe instalarse un drenaje automático tipo flotador o drenaje de válvula
solenoide programado con cierto tiempo y frecuencia de apertura o con sensor electrónico
de flujo.
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3. Tratamiento de Aire
Filtro comb inado ModeloFFG
Aceite remanente <0.001 mg/m³ relacionado a 20 °C y 7 bar.
Aceite remanente <0,003 mg/m³.
Características
La primera etapa del microfiltro retiene todos los aerosoles y partículas sólidas y el vapor de
aceite es retenido en el filtro de carbón activado de la segunda etapa. Los dos elementos
son separados y cada uno tiene su propia carcaza, de manera que la primera etapa de
separación del líquido (1) es aparte de la segunda etapa de adsorción (2). En ambos
elementos el aire fluye de dentro hacia fuera del elemento.
Diseño y funcionamiento
El aire comprimido fluye a través del elemento de la etapa 1 en donde sólidos y partículas en
aerosol de aceite son removidos. Esta etapa esta provista de con drenaje. El aire que ha
sido limpiado previamente fluye a través del filtro de carbón activado de la segunda etapa.
El diseño especial de este segundo elemento, con la gran superficie de adsorción, se
asegura una larga y económica operación y se maximiza la eficiencia minimizando la
velocidad de filtración. El carbón activado adsorbe todos los vapores de hidrocarburos en
forma de vapor así como olores en el aire.
El filtro de carbón activado tiene en sí dos etapas de filtración. La primera etapa se presenta
en la gran superficie de las finas partículas de carbón y la segunda varias capas de material
fibroso
contiene partículas microfinas de carbón, estas representan un grado fino de
filtraciónque
de partículas.
Microfiltro FF
Filtro de carbón activado
Fig. 3-45: Elementos del filtro de dos etapas
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3. Tratamiento de Aire
Seguridad
El diseño de filtro asegura que no haya arrastre de partículas de carbón activado en el aire
comprimido y que la construcción rugosa en acero inoxidable pueda soportar las fuertes
variaciones de presión.
El resultado
Aire filtrado, técnicamente libre de aceite con un nivel de calidad miles de veces mayor que
el aire que respiramos a diario. Este aire es adecuado para ser usado en la industria
alimenticia, en laboratorios y en la industria electrónica.
Vida útil
Los filtros de carbón activado deben ser solamente instalados aguas abajo del resto del
tratamiento con el fin de evitar los efectos negativos de la humedad en la capacidad de
adsorción del medio filtrante.
El filtro FFG debe ser instalado en un punto en donde el aire comprimido esté tan frío como
se pueda en donde se tiene la mayor precipitación de aceite. Esto asegura la mayor
durabilidad posible para el filtro de carbón activado donde el flujo de aire debe estar entre 20
y 30°C.
Areas d e apli cac ión
·
·
·
·
·
·
Procesos de alimentos.
Empaque
Industria de bebidas
Aire respirable
Soplado de botellas
Instalaciones médicas
Fig. 3-46: Filtro combinado FFG con
drenaje automático
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3. Tratamiento de Aire
Filtro esteril FST
La eficiencia de la filtración se mantiene constante para cualquier rata de flujo entre 1% y el
200% de la capacidad nominal del filtro. La capacidad de retención de bacterias (LRV) es
> 7 /cm² para tamaños de partículas de 0.01 µm (relacionado a las pruebas de bacteria coli).
Características
Usando un medio laminado especial en tres dimensiones, el aire comprimido es filtrado a
una calidad estéril del 100%. El medio filtrante no pierde fibras y tiene una alta capacidad de
retención de partículas y bacterias.
Diseño y funcionamiento
La carcasa del filtro es de acero inoxidable 1.4301 que no ofrece nutrientes a las bacterias y
no se corroe. Una carcasa patentada asegura un sello perfecto del elemento y el diseño del
filtro compacto asegura la zona libre de estática. La carcasa tiene una conexión roscada
(BSP) y está provisto de roscas en la parte inferior y superior. La carcasa en acero
inoxidable esta aprobada por la TÜV. El elemento está hecho de un microfiltro previo
seguido por el medio de microfibras tridimensional, libre de uniones. Un sello en silicona se
usa para fijar las tapas del filtro en acero inoxidable. La separación de partículas y bacterias
toma lugar a través de todo el volumen del filtro, el cual es lo suficientemente grande para
permitir altas ratas de flujo y una mínima caída de presión. Hasta 100 ciclos de esterilización
aseguran la larga vida del elemento y bajos costos de operación.
El filtro puede ser operado a una temperatura máxima de 200°C, la cual es también la
máxima temperatura de esterilización, y la máxima caída de presión permisible es 5 bar,
independientemente
la presión
deldesistema.
Losla elementos
son sujetos a
exigentes controles dede
calidad
con el fin
garantizar
confiabilidaddel
en filtro
su operación.
Áreas de Apli cac ión
·
·
·
·
·
Fabricación de químicos
Fabricación de fármacos
Industria de alimentos
Empaque
Instalaciones médicas
Fig. 3-47: Filtro esteil FST
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3. Tratamiento de Aire
η [%]
La eficiencia de la filtración es la relación de la concentración de partículas antes de la
filtración [K1] y la concentración después de la filtración [K 2].
Eficiencia de filtració n
Entre más eficiente el filtro, mayor es la resistencia del medio
filtrante individual. De acuerdo con el diseño, esto incrementa
la caída de presión Δp a través del filtro (presión diferencial).
η =
1-
K2
x 100
K1
Presión dif erencial Δp a través del filtr o
Las partículas capturadas durante la operación incrementan la presión diferencial a través
del filtro. La presión diferencial Δp con un elemento nuevo está entre 0.02 y 0.2 bar y el
máximo valor en operación no bebe sobrepasar valores por el orden de 0.3 a 0.4 bar. El
indicador de presión diferencial muestra cuando se alcanza el límite y el elemento debe
limpiarse o cambiarse.
Indicador de presión dif erencial
El indicador de presión diferencial muestra el grado de saturación del elemento filtrante.
Zona Verde – ligeramente saturado.
Zona roja – Máximo grado de saturación aceptado. El elemento debe cambiarse para
mantener la eficiencia del filtro.
Monitor del filtro (opción)
El monitor del filtro mide la presión diferencial y entrega una
señal que puede ser procesada de varias formas. La presión
diferencial máxima se puede programar con una precisión de
025 bar y de manera que se tendrá una alarma sonora o
visual cuando se exceda el valor programado. El intervalo de
mantenimiento se puede programar también de acuerdo con
el resto de la estación. La sensibilidad de la alarma se puede
programar con un tiempo de retardo de 5 segundos.
Cuando el tiempo faltante para el uso del filtro es inferior a
60 días, la pantalla muestra el tiempo que hace falta para el
mantenimiento. El monitor del filtro puede ser conectado a
un controlador maestro para una rápida reacción a las
alarmas.
Fig. 3-48: Indicador de presión diferencial
Fig. 3-49: Monitor del filtro
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3. Tratamiento de Air e
Carbón activado
Remanente de aceite en el aire inferior a 0.003 mg/m³.
El problema
Como es bien sabido, el aire comprimido es una mezcla de gases que no sólo contiene
nitrógeno y oxígeno, también se encuentra vapor de agua y otros elementos adicionales.
Debido a la contaminación causada por las emisiones de la combustión de las plantas,
motores y el uso de aceites refrigerantes y otros materiales de producción. El aire que sale
del compresor contiene una alta concentración de hidrocarburos y otras sustancias
olorosas. Los hidrocarburos contenidos en el aire atmosférico pueden exceder fácilmente los
10 mg/m3 bajo ciertas condiciones. Dependiendo del tipo de compresor, algunos aceites
lubricantes se vaporizan en la misma máquina, incrementando el arrastre de aceite al aire
comprimido. Este factor aplica tanto a los compresores refrigerados por aceite como a los
llamados compresores libres de aceite.
En este aspecto, los compresores más eficientes son los de tornillo refrigerados por aceite.
Gracias a su sistema de separación de alta eficiencia integrado y bajas temperaturas de
operación el arrastre de aceite a la red de aire comprimido sólo es de 1-3 mg/m3.
En algunos casos el paso de aceite a la línea de aire puede interrumpir la producción o
influenciar negativamente la calidad del producto. En algunas instalaciones, la calidad de
aire comprimido estándar debe ser de por lo menos clase 1 de acuerdo con la norma ISO
8573-1 la cual estipula que el paso de aceite a la línea debe ser menor a 0.01 mg/m3.
La solución
Así como en los casos mencionados arriba, si la aplicación requiere no solamente
separación de gotas de aceite precipitado si no también retención de vapores de
hidrocarburos, el tratamiento con un simple filtro de partículas de aceite no es suficiente.
Obviamente, estos filtros pueden separar fácilmente el aceite condensado del compresor,
pero no la contaminación que se encuentra alrededor del compresor y que ingresa al mismo.
La solución aquí es la de un filtro o torre de carbón activado. Estos sistemas retienen la
mayor parte de la polución, permitiendo que el aire comprimido se use en áreas
extremadamente sensibles.
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3. Tratamiento de Aire
Función
El aire seco debe ser mecánicamente libre de cualquier remanente de gotas de aceite con
un filtro sub-micrónico (1). En la parte adsorbente, el aire fluye a través de un difusor
especial de entrada (2) en un lecho adsorbente (3) el cual esta lleno de carbón altamente
adsorbente activado en donde el aire es distribuido en toda la sección del lecho. Esto
permite un tiempo de contacto máximo y óptima adsorción, la cual se asegura por un ajuste
preciso de la velocidad del aire, la correcta sección adsorbente y la adecuada profundidad
del lecho.
El aire fluye a través del adsorbente de carbón activado desde la parte superior a la parte
inferior para incrementar la capacidad de adsorción y la vida operacional del carbón
activado. Después de pasar por la reserva de seguridad el carbón activado el aire sale del
equipo por el puerto de salida (4). Cualquier tamaño de partículas de carbón
(partículas >1mm) en el aire son removidas por un filtro de partículas (5). Otros adsorbentes
son disponibles par aplicaciones especiales.
2
3
1
4
5
Fig. 3-50: Adsorbente de carbon activado
Asegu ran do la cali dad de aire
Una válvula de aguja acoplada a un indicador de aceite provee el monitoreo confiable de la
calidad de aire. Esto asegura que los usuarios siempre trabajarán con el aire comprimido
necesario.
Bajo con sume de energía
El sistema KAESER de carbón activado está diseñado para lograr ahorros de energía. El
gran tamaño de la tubería de conexión y la sección transversal dentro del equipo reduce la
velocidad del flujo, incrementando la efectividad del adsorbente y por ende reduciendo
después de todo las caídas de presión al mínimo (debajo de 0.15 bar cuando es nuevo)
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3. Tratamiento d e Aire
Fácil mantenimiento
El manómetro de presión externo indica la presión en el lecho adsorbente. El llenado en la
cámara de carbón activado es diseñado para lograr una vida de servicio de 10.000 horas o
más. Los tapones de llenado y drenaje facilitan el drenaje y llenado de la cámara.
Diseño
La torre de carbón activado, el prefiltro y el filtro de partículas deben estar diseñados para el
máximo flujo de aire, la máxima temperatura de entrada y la mínima presión del aire
comprimido de entrada. Con un dimensionamiento correcto de la torre de carbón
normalmente logra las 10.000 horas de operación. Esto se reduce considerablemente si,
como ocurre normalmente, no se tiene en cuenta la temperatura del aire comprimido de
entrada como un factor de corrección.
Fig. 3-51: Torre de carbon activado ACT
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3. Tratamiento de Aire
3.7 Recom endaciones de la VDMA para calidad de aire
comprimid o para la industria alimenticia
Base
ISO 8573-1
Clasificación de caliadd de aire comprimido de acuerdo con ISO 8573-1: 1995
Clase
Solidos
mg/m³
m
m
DTP
Agua
g/m³
Aceite
mg/m³
1
2
0.1
1
0.1
1
-70
-40
0.003
0.12
0.01
0.1
3
4
5
6
7
5
15
40
---
5
8
10
---
-20
0.88
+3
6
+7
7.8
+10
9.4
No especificado
1
5
25
---
Recomendaciones
Esta recomendación es válida para todo tipo de compresor, independiente del principio de
compresión y del tipo.
3.7.1 Indust ria de empaque y secto r f armacéuti co
Recomendaciones para el aire comprimido que esta en contacto con material de empaque
teniendo contacto directo con el producto.
Clasificación del aire de acuerdo con la ISO 8573-1
Aceite:
Solidos:
Clase 1
Clase 1
Agua:
Clase 4
Para empaque esteril: se requiere filtración esteril adicional
Retención de Bacterias. Especificación de separación: LRV (Log Reduction Value) > 7/cm²
filtración efectiva de área relacionada a la prueba de organismos Brevundimonas diminuta
(antes Pseudomonas diminuta) ATCC19146
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3. Tratamiento de Aire
Caso de análisis
A. Red de ai re c ompr im id o n ueva o limp ia c on los s ig uient es mater ial es:
1) Acero galvanizado, adecuado para alimentos
2) V2A/V4A
3) Plásticos permitidos para aire comprimido
4) Aluminio
Aire comprimido para remover aceite,
solidos y agua.
Centralizado
Al sistema de tratamiento
de condensados
* Control de sistemas individuales
(1) Compresor.
(2) Separador centrífugo o tanque acumulador (con drenaje automático de condensados
monitoreado). Si se instala un separador centrífugo, asegúrese que existe suficiente
volumen de almacenamiento de aire en la tubería red.
(3) Secador refrigerativo con alarma de punto de rocío (con drenaje automático de
condensados monitoreado)
(4) Mocrofiltro con retención de 0.01 µm, 99,999 % (con manómetro de presión y con
drenaje automático de condensados monitoreado) (vida útil del elemento
monitoreada).
(5) Filtro de carbón activado. Vida útil 4.000 horas o 6 meses.
(6) Sistema de carga de la línea principal (arranque en vacío) cierre en caso de falla
(función de alarma).
(10) Controlador maestro que coordine, monitoree y supervise los compresores.
Casos especiales
Si se usan compresores que generan una contaminación relativamente alta en la red (por
ejemplo teniendo compresores reciprocantes lubricados o teniendo compresores de paletas
deslizantes),
laantes
filtración
debe(4).
serEste
másfiltro
exigente,
por ejemplo,
unun
filtro
de 3-5 µm
ser
acondicionado
del filtro
debe estar
provisto de
manómetro
depara
presión
diferencial y drenaje automático de condensados monitoreado.
Importante!
Todo el sistema de tratamiento debe estar acondicionado sin by-pass (línea alterna para
mantenimiento).
Un sistema de reserva de la misma capacidad debe estar disponible en caso de falla para
requerimientos de servicio.
Durante el diseño se deben tener en cuenta las condiciones ambientales y las condiciones
de sitio.
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3. Tratamiento de Aire
B. Red de aire cont aminada y difícil de limp iar
Materiales de tubería no definidos
Remosión de Agua
Remosión de aceite y solidos
Centralizado
Local, directamente antes del usuario
Main network
* Control of individual systems
To condensate
treatment
To condensate
treatment
To condensate
treatment
Machine outlet
Machine outlet
(1) Compresor.
(2) Separador centrífugo o tanque acumulador (con drenaje automático de condensados
monitoreado). Si se instala un separador centrífugo, asegúrese que existe suficiente
volumen de almacenamiento de aire en la tubería red.
(3) Secador refrigerativo con alarma de punto de rocío (con drenaje automático de
condensados monitoreado)
(4) Mocrofiltro con retención de 0.01 µm, 99,999 % (con manómetro de presión y con
drenaje automático de condensados monitoreado) (vida útil del elemento
monitoreada).
(5) Filtro de carbón activado. Vida útil 4.000 horas o 6 meses.
(6) Sistema de carga de la línea principal (arranque en vacío) cierre en caso de falla
(función de alarma).
(10) Controlador maestro que coordine, monitoree y supervise los compresores.
Casos especiales
Si se usan compresores que generan una contaminación relativamente alta en la red (por
ejemplo teniendo compresores reciprocantes lubricados o teniendo compresores de paletas
deslizantes), la filtración debe ser más exigente, por ejemplo, un filtro de 3-5 µm para ser
acondicionado antes del filtro (4). Este filtro debe estar provisto de un manómetro de presión
diferencial y drenaje automático de condensados monitoreado.
Importante!
Todo el sistema de tratamiento debe estar acondicionado sin by-pass (línea alterna para
mantenimiento).
Un sistema de reserva de la misma capacidad debe estar disponible en caso de falla para
requerimientos de servicio.
Durante el diseño se deben tener en cuenta las condiciones ambientales y las condiciones
de sitio.
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3. Tratamiento de Aire
3.7.2 Aire Compr imido en contacto directo con el producto
Si el aire comprimido esta en contacto directo con el producto o se mezcla con el, se
recomienda el siguiente tratamiento con el fin de eliminar olores y sabores.
Clasificación de la calidad de aire de acuerdo con ISO 8573-1
Aceite:
Solidos:
Agua:
Class 1
Class 1
Class 4
Pare empaque esteril: Filtración esteril adicional.
Retención de Bacterias. Especificación de separación: LRV (Log Reduction Value) > 7/cm²
filtración efectiva de área relacionada a la prueba de organismos Brevundimonas diminuta
(antes Pseudomonas diminuta) ATCC19146
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3. Tratamiento de Aire
Caso de análisis
A. Red de ai re c ompr im id o n ueva o limp ia c on los s ig uient es mater ial es:
1) Acero galvanizado, adecuado para alimentos
2)V2A/V4A
3) Plásticos permitidos para aire comprimido
4) Aluminio
Aire comprimido para remover aceite,
solidos y agua.
Centralizado
To condensate treatment
* Control of individual systems
(1) Compresor.
(2) Separador centrífugo o tanque acumulador (con drenaje automático de condensados
monitoreado). Si se instala un separador centrífugo, asegúrese que existe suficiente
volumen de almacenamiento de aire en la tubería red.
(3) Secador refrigerativo con alarma de punto de rocío (con drenaje automático de
condensados monitoreado)
(4) Mocrofiltro con retención de 0.01 µm, 99,999 % (con manómetro de presión y con
drenaje automático de condensados monitoreado) (vida útil del elemento
monitoreada).
(4)* Microfiltro (si es necesario, para retener partículas clase 1)
(6) Sistema de carga de la línea principal (arranque en vacío) cierre en caso de falla
(función de alarma).
(7) Torre de carbón activado. Vida útil 10.000 horas o 8 meses.
(8) Filtro de partículas, retención de 3-5 µm con indicador de presión diferencial
(monitoreo de vida útil), drenaje manual, clase 3 de retención de partículas.
(10) Controlador maestro que coordine, monitoree y supervise los compresores.
Casos especiales
a) P roductos que son extremadamente propensos a la humedad y para los cuales clase 4
para
no es
suficiente.
En membrana
este caso, se
debe
usar secador desecante
con un
puntohumedad
de rocío bajo
o el
secador de
con
el correspondiente
punto de(3)
rocío
b) Si se usan compresores que generan una contaminación relativamente alta en la red (por
ejemplo teniendo compresores reciprocantes lubricados o teniendo compresores de paletas
deslizantes), la filtración debe ser más exigente, por ejemplo, un filtro de 3-5 µm para ser
acondicionado antes del filtro (4). Este filtro debe estar provisto de un manómetro de presión
diferencial y drenaje automático de condensados monitoreado.
Importante!
Todo el sistema de tratamiento debe estar acondicionado sin by-pass (línea alterna para
mantenimiento).
Un sistema de reserva de la misma capacidad debe estar disponible en caso de falla para
requerimientos de servicio.
Durante el diseño se deben tener en cuenta las condiciones ambientales y las condiciones
de sitio.
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3. Tratamiento de Aire
B. Red de aire cont aminada y difícil de limp iar
Materiales de tubería no definidos
Remosión de Agua
Remosión de aceite y solidos
Centralizado
Local, directamente antes del usuario
Main network
* Control of individual systems
To condensate treatment
To condensate treatment
Machine outlet
Machine outlet
(1) Compresor.
(2) Separador centrífugo o tanque acumulador (con drenaje automático de condensados
monitoreado). Si se instala un separador centrífugo, asegúrese que existe suficiente
volumen de almacenamiento de aire en la tubería red.
(3) Secador refrigerativo con alarma de punto de rocío (con drenaje automático de
condensados monitoreado)
(4) Mocrofiltro con retención de 0.01 µm, 99,999 % (con manómetro de presión y con
drenaje automático de condensados monitoreado) (vida útil del elemento
monitoreada).
(4)* Microfiltro (si es necesario, para retener partículas clase 1)
(6) Sistema de carga de la línea principal (arranque en vacío) cierre en caso de falla
(función de alarma).
(7) Torre de carbón activado. Vida útil 10.000 horas o 8 meses.
(8) Filtro de partículas, retención de 3-5 µm con indicador de presión diferencial
(monitoreo de vida útil), drenaje manual, clase 3 de retención de partículas.
(10) Controlador maestro que coordine, monitoree y supervise los compresores.
Casos especiales
a) P roductos que son extremadamente propensos a la humedad y para los cuales clase 4
para humedad no es suficiente. En este caso, se debe usar secador desecante (3) con un
punto de rocío bajo o el secador de membrana con el correspondiente punto de rocío
b) Si se usan compresores que generan una contaminación relativamente alta en la red (por
ejemplo teniendo compresores reciprocantes lubricados o teniendo compresores de paletas
deslizantes), la filtración debe ser más exigente, por ejemplo, un filtro de 3-5 µm para ser
acondicionado antes del filtro (4). Este filtro debe estar provisto de un manómetro de presión
diferencial y drenaje automático de condensados monitoreado.
Importante!
Todo el sistema de tratamiento debe estar acondicionado sin by-pass (línea alterna para
mantenimiento).
Un sistema de reserva de la misma capacidad debe estar disponible en caso de falla para
requerimientos de servicio.
Durante el diseño se deben tener en cuenta las condiciones ambientales y las condiciones
de sitio.
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3. Tratamiento de Aire
3.7.3 Aire Comprimid o Esteril
Tratamiento siempre inmediatamente antes del usuario
Caso de análisis
A. Operac ió n n o con ti nu a
La esterilización del elemento se realiza en los momentos en que para la producción.
Aire Comprimido
Usuario
Vapor
condensado
* Conexión de vapor
(9) Filtro esteril
B. Operación continua
La esterilización se realiza gracias a la línea alterna de filtración (sistema de filtros doble)
Aire
Comprimido
usuario
Vapor
condensado
reserva
Vapor
condensado
*Conexión de vapor
(9) Sistema de filtros esteriles doble, uno de ellos como reserva.
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4.
Drenaje condensado y Tratamiento
4.1
Drenaje de Condensado
4.1.1
4.1.2
4.1.3
4.1.4
Drenaje controlado por flotadores
Válvulas solenoides de drenaje con temporizador
Drenajes con control de nivel electrónico
Instalando drenajes de condensado
4.2
Tratamiento de Condensado
4.2.1 Características de condensado de un compressor de aire
4.2.2 Tratamiento de condensado no-emulsionado
4.2.3 Tratamiento de condensado emulsionado
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4. Drenaje de Condensado y Tratamiento
4.1 Drenaje de condensado
El condensado es un resultado inevitable de la compresión del aire. La condensación causa
corrosión y contiene aceite y partículas de suciedad (herrumbre, por ejemplo) y es
parcialmente agresivo. A menos que se realice una correcta remoción en los puntos de
almacenamiento, se pueden producir perturbación en la operación y corrosión.
Fig. 4-1: Drenaje de condensado y tratamiento
en una estación de aire comprimido
4.1.1 Drenaje controlado por flotadores
Los modelos más antiguos de alcantarillado automático condensado emplearon un flotador hueco,
mecánicamente
una válvula.
creciente
de condensado
el no
flotador,
que
a
su turno abríase
la vinculó
válvulaapara
permitir El
la nivel
salida
del condensado.
Tales levantaba
dispositivos
requieren
ninguna fuente de energía y liberan el condensado esporádicamente a medida que acumula.
La fuerza de levantamiento del flotador es equivalente al volumen de líquido que este desplaza
menos el peso del flotador en sí mismo. El flotador por lo general está vinculado a una palanca para
producir bastante fuerza que permite abrir una válvula del tamaño adecuado, tal es ilustrado abajo.
Características
· El drenaje solo tiene lugar cuando suficiente condensado se ha acumulado.
· No hay pérdida de aire comprimido.
· Un mantenimiento regular es esencial ya que las partículas pueden causar que el mecanismo se
obstruya.
· No hay medio de obtener una señal que confirme que el condensado ha sido agotado o que una
falla ha surgido.
Fig. 4-2Función de un desague controlado por flotador
condensado
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4. Drenaje de Condensado y Tratamiento
4.1.2 Válvulas solenoides de drenaje con Temporizador
Un temporizador es colocado para abrir una válvula solenoide a intervalos regulares para
permitir la salida del condensado. Una ventaja es la talla relativamente grande de la válvula
que permite un drenaje rápido. Una remota ventaja consiste en que la presión de resorte,
contra la cual la solenoide trabaja para abrir la válvula, aplica la fuerza para cerrarlo
correctamente.
Este tipo de dispositivo es también sensible a las partículas de suciedad que puedan entrar
en el hueco entre la bobina y el núcleo, haciendo que el núcleo se trabe, o se depositen
sobre el asiento de la válvula previniendo que ésta cierre correctamente, con la consiguiente
pérdida de aire comprimido. Un filtro malla debe ser instalado en la línea de condensada y
un regular mantenimiento de la válvula es esencial.
Otra desventaja de este modelo es que la frecuencia y la duración de la apertura, siendo
controlada por un timer, no está relacionada directamente con la proporción en la cual el
condensado se acumula. Si la frecuencia de apertura de la válvula se fija para evitar
respaldo de condensado bajo las peores condiciones posibles, como por ejemplo un día
caliente y húmedo de verano, entonces la válvula se abrirá con demasiada frecuencia
durante otras condiciones atmosféricas cuando no tanto condensado se ha acumulado, con
la subsecuente pérdida de aire comprimido.
La alta velocidad en la cual el condensado se expulsa de la válvula bajo presión tiende a
emulsionar el líquido que luego requiere un costoso tratamiento por una unidad que parte
de la emulsión.
3
1
2
Fig 4-3: Drenaje condensado con válvula solenoide
Componentes
· Válvula esférica (1)
· Filtro malla (2)
· Válvula solenoide con
temporizador integrado ó
separado (3)
Características
· Drenaje automático y regular
· 230 V / 50 Hz
· Intervalos de apertura entre los rangos de 1.5 a 30 minutos
· Duración de apertura entre los rangos de 0.4 a 10 segundos
· Drenaje del condensado recolectado en el contenedor
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4. Drenaje de Condensado y Tratamiento
4.1.3 Drenajes con control de nivel electrónico
Estos dispositivos están equipados con un sensor de nivel y están más vinculados a drenaje
de condensado que a drenajes controlados con flotadores. La válvula solenoide se abre
solamente cuando se ha acumulado el suficiente condensado y se cierra otra vez sin
pérdida de aire comprimido tan pronto como se drene. Partículas de suciedad quedan en el
receptáculo y no se pueden bloquear la válvula, y el receptáculo se debe quitar para una
necesaria limpieza. La cubierta del drenaje es generalmente de aluminio, de acero
inoxidable o de plástico resistente. La calefacción termostática controlada puede ser
utilizada para proteger contra heladas y algunas versiones están disponibles para el uso en
ambientes explosivos.
Características
· Sensor de nivel capacitivo
· Ajuste automático de presión
· Autocontrol con contacto auxiliar
disponible para alarma.
Entrada de condensado
Receptáculo
Sensor de nivel
Válvula solenoide
Linea de balance
Diafragma de la válvula
Asiento de la válvula
Descarga
Fig. 4-4: Drenaje automático de condensado ECO
Drain
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4. Drenaje de Condensado y Tratamiento
Función del ECO-Drain
El condensado acumulado pasa a través de la apertura de entrada (1) al receptáculo (2). E l
sensor de nivel (3) señala cuando el nivel de condensado en el receptáculo alcanza un
cierto punto. El control electrónico procesa esta señal y activa la valvula solenoide (4) para
abrir la linea de balance (5) para igualar la presión con la línea de descarga (8). La baja
presión provoca que el diafragma de la válvula (6) se eleva del asiento (7) permitiendo que
el condensado sea drenado.
El mecanismo electrónico evalúa el nivel de caída y calcula exactamente el tiempo que la
válvula debería estar abierta para que al cerrarse no haya pérdida de aire comprimido.
Si ocurriera una falla en la secuencia de drenaje, el dispositivo pasa a modo de alarma
después de 60 segundos. El LED rojo parpadea y un mensaje de alarma es enviado a través
del contacto de flotación de relevo. En el modo de alarma, la válvula solenoide se abre 7.5
segundos cada 4 minutos.
Mientras que la válvula solenoide esté libre de fallas el ECO-Drain continuará marcando
alarma cuando se llene sin presión.
5
3
1
Ni2
Ο
4
Ni2
Ο
Ni1
Ο
6
Ni1
Ο
2
7
8
2
1 Entrada de condensado 3 Sensor nivel
2 Receptáculo
4 Válv. Solenoide
5 Línea de balance 7 Asiento de la válv.
6 Diafragma de válv. 8 Línea descarga
Fig. 4-5: Sensor de nivel del drenador de condensado Eco Drain.
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4. Drenaje de Condensado y Tratamiento
4.1.4
Instalando drenajes de condensado
El drenaje de condensado más confiable no será satisfactorio si no es instalado
correctamente, y es aquí donde surgen los errores más comunes.
Deben seguirse las siguientes reglas básicas:
No una varios puntos de recolección de condensado a un drenaje en común, ya que
diferenciales de presión pueden causar un efecto bypass.
El condensado sólo puede fluir en el receptáculo cuando se le permite al aire, ya en el
receptáculo, a salir, usualmente de regreso a la fuente de condensado, mediante una
línea de compensación separada (no ilustrada).
El condensado sólo puede fluir a una línea de aire comprimido.
Ejemplo de Instalación
1
2
3
4
5
6
7
8
9
Fig 4-6: Ejemplo de instalación
1)
2)
3)
4)
5)
6)
Tubo de admisión.
Filtro no instalado.
Inclinación >1%.
Válvula de cierre.
Conexión: accesorio cilíndrico únicamente (de acuerdo al fabricante).
Presión mínima. 0.8 a 1.2 bar (presión indicada en la placa).
7)
y transparente
(conexión
flexible la
e indicador
de flujo 0.1
visual).
8) Manguera
Cada 1 m de
dedescarga
elevacióncorta
vertical
en la descarga
incrementa
presión mínima
bar.
Elevación máxima 5 m. La conexión realizada a la línea de recolección sin modo de
regreso, ej.: cuello de cisne).
9) Línea de recolección con inclinación >1%.
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4. Drenaje de Condensado y Tratamiento
Errores comunes en la instalación de drenajes de condensado
Presión diferencial
Cada
recolector
de
condensado debe tener su
propio drenador.
Fig. 4-7: Drenaje en comun trabaja como bypass
Ventilación
Una línea de equilibrio debe
ser instalada si la inclinación
necesaria no es posible.
Fig. 4-8: Inclinación insuficiente sin una
linea de equilibrio dificulta el drenaje
Superficie de choque
Una superficie de choque es
necesaria para que el
condensado directo no sea
empujado por el flujo de aire.
Fig. 4-9:El condensado puede ser
arrastrado con el aire si no encuentra una
superficie de choque.
Inclinación continua
Se debe tener mucho cuidado
de no crear una trampa de
agua.
Fig. 4-10: Una baja inclinación evita trampas de
agua.
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4. Drenaje de Condensado y Tratamiento
4.2 Tratamiento de condensado
4.2.1 Características de condensado de aire comprimido
El condensado es principalmente agua con aceite mezclados en donde el aceite es
parcialmente una dispersión microfina y parcialmente una emulsión estable. La inclusión de
partículas de suciedad, dióxido de sulfuro, cobre, plomo, hierro y otras sustancias hacen de
este condensado una mezcla potente.
Hidrocarburos también son encontrados en el condensado, mayormente en las dos formas
indicadas pero también en la tercera forma bajo ciertas circunstancias.
1. Libres; sin disolver y no emulsionados que pueden ser separados por gravedad mientras
que son suficientemente menos densos que el agua ® pH: 6-9.
2. Emulsionadas; donde puede hacer una distinción entre emulsificación mecánica
(condensado forzado o bombeo) y emulsificación química del efecto de una sustancia en
la superficie (solvente o componentes de tensión superficial en la entrada de aire). ® es
necesaria la neutralización.
3. Hidrocarburos disueltos, dependiendo del tipo, solubilidad y temperatura. Estos últimos
no son visualmente reconocibles y aparecen como resultado de una limpieza con un
agente a base de petróleo ó si dichas sustancias son liberadas en un proceso y
encuentran un modo de ingresar en la toma de aire a través del compresor. ® pH 3-6.
Todo el condensado debe ser tratado por disposición conforme a regulaciones de protección
de medio ambiente locales.
Diferencias visibles entre los condensados
Condensado libre
Condensado emulsionado
Condensado de
hidrocarburos disueltos
Fig. 4-11:Condensado aceitoso
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4. Drenaje de Condensado y Tratamiento
4.2.2 Tratamiento de condensado no - emulsionados
Separadores de aceite/agua para condensado no emulsionado confian en la gravedad y en
la diferencia de densidad de los dos líquidos. Cualquier partícula dispersa de aceite
remanente son selectivamente absorbidas por el carbón activado.
La limpieza del condensado no emulsionado de este modo cumple con las reguslaciones
ambientales de Alemania y puede ser derramado en un alcantarillado normal. Esto ahorra
los costos de disposición de especialistas, que en Alemania alcanza los €300 por metro
cúbico, y el costo de tanques de almacenaje convenientes, supervisando disposiciones, etc..
Unidades de tratamiento AQUAMAT
El condensado bajo presión del compresor de aire
ingresa al AQUAMAT a través del puerto de
admisión y se almacena en la cámara de
expansión/silenciador (2) donde son separados del
aire. Posteriormente, los condensados fluyen a
través del recolector de impurezas (3) y al tanque de
asentamiento donde la mezcla de aceite asciende a
la superficie.
El agua parcialmente limpia pasa a través de un tubo
(4) y un prefiltro (5). Un sensor de nivel mide el nivel
de
contaminación
(6).
Posteriormente
los
condensados fluyen al filtro de absorción (7) donde el
remanente de aceite es removido y el agua limpia es
evacuada de la unidad por medio del tubo de
evacuación
(8).un
Elrecipiente
aceite que
ha sido
es
recolectado en
especial
porseparado
medio dewl
tubo barredor (9). Muestras de calidad de agua
pueden ser tomadas del punto de prueba (10).
Fig. 4-12: Unidad de tratamiento AQUAMAT
Entrada de condensados
Cámara de expansion /
silenciador
Colector de impurezas
Tubo
Sensor de nivel
Prefiltro
Filtro de absorción
Tubo de agua de descarga
Barredor adjustable de aceite
Punto de prueba
Fig. 4-13: Funcion AQUAMAT
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4. Drenaje de Condensado y Tratamiento
4.2.3 Tratamiento de condensado emulsionado
Algunos tipos de compresores y condiciones de operación conditions da lugar al
condensado emulsionado, que debe ser tratado por uno de tres métodos de división
posibles de separar el agua y el aceite.
División química
Este proceso está basado en la neutralización química de la carga en agentes
emulsionantes no iónicos para desestabilizarlos. Los dos métodos más comunes son la
adición de un ácido, usualmente sulfúrico, o una agente precipitador de hidróxido en forma
de sales metálicas que producen flóculos.
Ultra filtración
Este proceso de energía intensiva requiere filtros finos y membranas de filtrado a través de
las cuales el condensado emulsionado pasa bajo presión (4 – 10 bar) y a una gran velocidad
(ca. 5 m/S). Las pequeñas moléculas de agua pasan a través de la membrana y una gran
cantidad de moléculas de aceite son retenidas, como así también gran consumo de energía,
el proceso implica grandes costos de mantenimiento.
Absorción
Este proceso físico es un Segundo paso después de la separación inicial con la necesidad
de agregar ácido o alkali como un medio de reacción. P referentemente, sustancias neutrales
ambientales son utilizadas, como ácidos silícico activado, arcilla o Bentonita. La separación
inicial
significa
que menor
cantidad
la sustancia
de reacción económico
es necesariapara
y muy
poca
energía,
haciendo
al método
de de
absorción
particularmente
grandes
estaciones de aire comprimido.
Unidades ESA
Estas unidades autónomas ingresan el condensado
automáticamente y lo tratan con Bentonita ecológicamente
neutro. Un tanque separador con un dispositivo de
separación integrado realiza la separación inicial de aceite.
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5.
Distribución del aire comprimido
5.1
Estructura de la red de tuberías
5.2
Caída de presión
5.3
5.3.1
5.3.2
5.3.3
5.3.4
Medición de fugas
Pérdidas por fugas
Medición por vaciado del depósito de aire
comprimido
Medición por tiempo de marcha del compresor
Medición por el consumo de aire comprimido
5.4
Dimensionando
de las tuberías de aire
comprimido
5.5
Elección de materiales
5.6
5.6.1
5.6.2
Instalación de redes de aire comprimido
Red de aire comprimido con/sin secador
Redes de aire comprimido instaladas en el
5.7
exterior
Identificación de tuberías
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5. Distribución del aire comprimido
5.1
Estructura de la red de tuberías
Tubería principal
La tubería principal es la que une el depósito de aire comprimido con el centro principal de
consumo. Este sector debe contar siempre con reservas suficientes para posibles
ampliaciones.
Tubería de distribuci ón
La tubería de distribución reparte el aire comprimido dentro de una red de puntos de
consumo. Puede tratarse de una tubería recta o anular o bien de una anular con tuberías
rectas integradas (Distribución mallada).
Tubería principal
Distribución
anillo:
Las tuberíasenanulares
tienen la ventaja de
permitir
secciones
pequeñas.
Pueden
dimensionarse para la mitad del flujo
volumétrico con la mitad de longitud nominal.
Para su instalación es importante:
· Prever posibilidades de corte selectivo
· Instalar tramos intermedios para Dp
demasiado altas
Distribución en
anillo
Ilustración 5-1:
Distribución mallada:
Son aquellos sistemas anulares en los que se
instalan tuberías transversales o longitudinales
adicionales a la tubería de distribución. Las
ventajas son las mismas que las de un sistema
anular. En estos sistemas es fácil cortar el paso
de aire a los distintos sectores.
Tubería de distribución
Tubería recta:
Este tipo de tuberías tiene la ventaja de que el
gasto en materiales es menor.
Para su instalación es importante:
· Mayores Æ de tubería que en los sistemas
anulares
· Ampliar a sistema anular en caso de Dp
demasiado altas
Tubería de conexión
Ilustración 5-2:
Tubería recta
Tubería de conexión
Estas tuberías forman la conexión entre la tubería de distribución y el punto de consumo. El
empalme de la tubería de conexión a la de distribución deberá realizarse en sentido
ascendente, sobre todo si se trata de una red de aire comprimido húmeda, para evitar que el
aire arrastre el condensado.
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5. Distribución del aire comprimido
5.2
Caída de pr esión
La experiencia en la práctica demuestra que los sistemas de distribución del 80 % de las
empresas son el punto más débil del sistema de aire comprimido. Por esa razón, la
distribución del aire precisa una cualificación equivalente a la exigida para instalar una red
de distribución eléctrica, tarea que siempre se deja en manos de especialistas debido a su
potencial de peligrosidad. En el caso de los sistemas de distribución de aire comprimido, por
el contrario, se ha venido improvisando en muchos de los casos, sobre todo en el pasado.
Los puntos más importantes en la planificación son el flujo volumétrico y la pérdida admisible
de presión.
La caída de presión en medios líquidos y gaseosos en los sistemas de tuberías es
consecuencia del rozamiento interno. La acción dinámica de la fuerza entre las moléculas y
el
rozamiento
del medio
con
las paredes
internas
de la tubería
hacen
que sedel
produzca
pérdida
de energía
que se
manifiesta
como
una pérdida
de presión.
Además
medio una
que
forma la corriente, hay que tener en cuenta otros factores para la caída de presión:
Dimensionado demasiado reducido de las tuberías de aire comprimido
Trayectoria no lineal de las tuberías
Conexiones y empalmes de las tuberías
Turbulencias (número de Reynolds alto)
Tuberías muy largas
Superficie interna de las tuberías rugosa
Caída de presi ón en la red d e tuberías
En las redes de aire comprimido bien diseñadas se cuenta con una caída de presión de
0,1bar en la red de tuberías.
1. Tubería principal 0,03 bar
2. Tubería de distrib. 0,03 bar
0,1 bar
3. Tubería de conex. 0,04 bar
4. Secador frigorífico
0,2 bar
5. Unidad de mantenimiento
y manguera
_0,5 bar_
máx.
0,8 bar
Dif. conmutación (ideal)_0,2 bar_
1,0 bar
Presión máx. en compresor 7,0 bar (s)
Presión consumidor
__ 6,0 bar (s)__
Pres. diferencial
1,0 bar
Ilustración 5-3:
Caída de presión en el sistema
Si la presión de servicio es baja, por ejemplo de 3 bar (s), una caída de presión de 0,1 bar
supone una pérdida de energía mucho mayor que en un sistema que funcione a 7 bar (s).
Por eso, la regla a tener en cuenta es:
Caída máx. de presió n en la red de tu berías < 1,5 % de la presi ón d e servici o
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5. Distribución del aire comprimido
Consecuencias de la falta de presión :
La siguiente gráfica muestra el efecto de una presión insuficiente en el rendimiento de una
herramienta:
kW
%
kW
o
t
n
ie
m
i
d
n
e
R
Presión en bar (s)
Ilustración 5-4:
Deficiencias del rendimiento de una herramienta por la pérdida de presión
La presión normal para el funcionamiento de las herramientas neumáticas es de 6 bar(g).
Con frecuencia, la presión se eleva en la estación de compresores para compensar caídas
de presión posteriores. Esta estrategia cuesta dinero, como demuestra el ejemplo siguiente:
V = 30 m³/min consume a 7 bar (g) 160 kW. A 8 bar (g) el consumo de potencia sube aprox.
un 6 %, es decir, unos 9,4 kW adicionales.
Coste: 9,4 kW x 0,10 € / kWh x 4.000 h/año =3.760,-- €/año.
Reducc ión de las pérdidas de presión g racias a la tubería correcta
Cada consumidor de aire comprimido precisa una presión de flujo o de servicio concreta.
Debido a las pérdidas, esta presión será menor que la presión estática que se da en el
consumidor cuando está inactivo. Si la presión de flujo es demasiado baja (debido a
secciones de tubería demasiado pequeñas, por ejemplo), el rendimiento de la herramienta
sufre una disminución. Una presión excesiva dispara los costos de energía, además de
acortar la vida de las máquinas y herramientas neumáticas.
G
A
B
= Válvula
de bola)de cierre (recomendada válvula
= Filtro (separación de agua y óxido)
C
C
D
E
F
G
= Reductor de presión (presión de
servicio constante)
= Lubricador (normalmente, lubricador
por neblina)
= Acople rápido (flexibilidad)
= Manguera (longitud 3-5 m)
= Contrapeso
(facilita el trabajo)
E
A
B
D
F
Ilustración 5-5:
conexiones correctas
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5. Distribución del aire compr imido
5.3
Medición de fugas
5.3.1
Pérdidas por fug as
Las fugas son especialmente perjudiciales en la distribución del aire comprimido. P ueden
aparecer en cualquier parte del sistema. Las pérdidas de presión se producen con
frecuencia en los puntos de acoplamiento, pero también se sufren pérdidas importantes por
mangueras de caucho dañadas o en las válvulas de cierre.
Las pérdidas por fugas hacen subir los costes de producción del aire comprimido o empeoran el
rendimiento de los aparatos consumidores.
Es importante recordar que las fugas son “trabajadoras aplicadas”, que no respetan el final
de la jornada, ni los días festivos ni las vacaciones, y “rinden” 8.760 h de servicio al año.
Ejemplo 1:
Partiendo de los costes;
Suposición: Coste del aire comprimido: 0,02 €/m³
Un agujero de 3 mm de diámetro significa una
pérdida de 0,5 m³/min a 6 bar.
0,5 m³/min x 60 min/h = 30 m³/h
30 m³/h x 8.760 h/año = 262.800 m³/año
262.800 m³/ año x 0,02 €/m³ = 5.256 €/ año
Ilustración 5-6:
Fugas
El aire comprimido debe transportarse desde la estación de compresores hasta el punto de
consumo sin sufrir reducciones de caudal (fugas), originando así el coste más bajo posible.
En la siguiente tabla 5-1 se muestra una visión general de los costes y las pérdidas de
potencia causadas por las pérdidas debidas a fugas.
Diámetro del agujero
Consumo de aire
Pérdidas
Tamaño
corres ondiente
a 6 bar (s)
m3/min
kW
Tabla 5-1:
1 mm
0,065
0,47
412.-
2 mm
0,257
1,85
1.620.-
4 mm
1,03
7,42
6.500.-
6 mm
2,31
16,66
14.594.-
*Precio de la electri cidad: 0,10 €/kWh
Tiempo de servici o:
8.760 h/año
Pérdidas por fugas
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5. Distribución del aire comprimido
Ejemplo 2:
Para comprimir 1 m³ de aire a 7,5 bar se consumen aprox. 0,1 kWh. Si las horas de servicio
anuales se elevan a 8.760 y el precio de la corriente eléctrica es de 0,10 €/kWh, tendremos
el siguiente resultado con una fuga total de 5 m³/min en un sistema de aire comprimido:
5 m³/min x (8.760 h x 60 min/h) x 0,1 kWh/m³ x 0,10 €/kWh = 26.280 €/año
Lo importante es descubrir dónde se encuentran las fugas, cuál es su tamaño y cómo
pueden repararse. Para la cuantificación de fugas se han impuesto sobre todo dos
procedimientos que se aplican con el sistema parado.
5.3.2
Medició n por vaciado del depósit o de aire comp rimi do
La condición previa para aplicar este procedimiento es conocer el volumen del depósito de
aire comprimido, que será por ejemplo de 500 l. El volumen de acumulación del depósito
(VA) sería 500 l/bar. Se llena el depósito con una presión de 9 bar (presión inicial del
depósito pI). A continuación se mide el tiempo que tarda la presión en bajar hasta 7 bar
(presión final del depósito pF) debido a las posibles fugas, que puede ser de 3 minutos (t),
por ejemplo. El alcance de la fuga se calcula aplicando la siguiente fórmula:
VA x (p I – p F)
VL =
t
Fugas
Entrada cerrada
Desconectadas
VL = Caudal de fuga
VA = Vol. de acumulación depósito
pI =Presión inicial depósito
pF =Presión final depósito
t =Tiempo
Fig 5-7: Medición de fugas por
vaciado del tanque de presión
Ejemplo:
VA
pI
pF
t
VL
=
=
=
=
=
500 l/bar
9 bar (s)
7 bar (s)
3 min
500 l/bar x (9 bar – 7 bar) / 3 min
=
333 l/min
Este procedimiento se aplica en
sistemas en los que el volumen de las
tuberías es inferior al 10 % del
volumen del depósito de aire
comprimido (exactitud de la medición).
Pérdidas por fugas en el sistema: 333 l/min
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5. Distribución del aire compr imido
5.3.3
Medici ón por tiempo de marcha del comp resor
La medición se realiza controlando tramos parciales o el sistema completo. El compresor
trabaja solamente para el tramo o la red a controlar. Si la capacidad de un solo compresor
no fuera suficiente habrá que conectar otras unidades a la red y ponerlas en marcha durante
la medición.
Un compresor con suficiente caudal llena la red a controlar con una presión de por ejemplo 8
bar. Si no existen fugas, esta presión debería mantenerse. Normalmente la red pierde algo
de presión, de manera que el compresor vuelve a conectarse, ya que estará ajustado para
reconectarse cuando la presión caiga por debajo de un mínimo establecido en, por ejemplo,
6 bar. Dos cronómetros miden respectivamente el tiempo total de control y el tiempo de
marcha del compresor encargado de reponer la presión de red de 8 bar. La medición se
llevará a cabo 4 ó 5 veces para minimizar las posibilidades de error.
La relación entre el tiempo total de marcha del compresor (ttot = t1+t2+t3+t4+t5) y el tiempo
total de control (T) y en consideración de la potencia del compresor nos informará sobre las
pérdidas por fugas. En la ilustración 5-8 se representa esta relación de modo gráfico.
))
s
(
r
a
b
(
o
r
t
e
m
ó
n
a
m
l
e
d
n
ió
s
e
r
P
8
7
6
5
T
4
3
2
1
Ilustración 5-8:
Medición de fugas por tiempo de marcha del compresor
Tiempo
El caudal de la fuga se calcula entonces con la fórmula:
VC x t tot
VL =
T
VL = Caudal de fuga en m³/min
VC = Caudal del compresor en m³/min
ttot= Suma de los tiempos parciales en los
que el compresor marcha en carga
T =Tiempo completo de control
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5. Distribución del aire compr imido
Ejemplo:
Caudal del compresor
VC
=
Tiempo de carga del compresor
Tiempo completo de control
t =t1 + t2 + t3 +t4 +t5
T
=
=
3 m³/min
120 s
600 s
3 x 120
VL =
=0,6 m³/min = 20 % del caudal completo del compresor
600
5.3.4
Medici ón por el consumo de aire com prim ido
En aquellas empresas donde hay instalado un gran número de herramientas, máquinas o
aparatos neumáticos, las conexiones de las mangueras y las válvulas suelen provocar
grandes pérdidas.
Para localizar las fugas con exactitud pueden realizarse los dos procedimientos descritos
hasta ahora, una vez con los consumidores conectados y otra vez desconectados. De esta
manera puede determinarse la localización de las mayores fugas, es decir, si se encuentran
en la red de aire o en los puntos de conexión de los consumidores, que es donde suele
darse el 70 % de las pérdidas.
Procedimiento:
1.
Las herramientas y máquinas neumáticas están conectadas
para un funcionamiento normal (medición de las fugas
totales)
Ilustración 5-9:
2.
Red de aire con consumidores
Las válvulas de cierre anteriores a las conexiones de los
consumidores están cerradas (medición de las fugas de la
red)
Ilustración 5-10:
Red de aire sin consumidores
La diferencia entre 1. y 2. corresponde a las pérdidas en los consumidores, sus válvulas y
acoples.
Cálculo de fugas por medio de registradores de datos d igit ales (medición po r
ADA)
El fabricante de compresores también puede ofrecerle un cálculo de fugas muy económico.
En él se examina el perfil de rendimiento (presiones, cargas, etc.) de los compresores
conectando un moderno registrador de datos digital. P ara llegar a resultados fiables es
recomendable analizar el perfil de rendimiento durante al menos una semana, fin de semana
incluido, y dejar después que un experto valore los datos recopilados.
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5. Distribución del aire comprimido
5.4
Dimensionado de las tuberías de aire comprimido
Antes de empezar con cálculos detallados, el usuario debe tener clara una cosa: La causa
de las pérdidas de energía en redes viejas de distribución de aire suele ser que se ha ido
ampliando la longitud, pero no su sección nominal. Cuando las redes ya existentes se van
ampliando al tiempo que se les conectan cada vez más consumidores, lo lógico será que las
caídas de presión vayan a más. Las tuberías de aire comprimido deben diseñarse de
manera que ofrezcan capacidad suficiente incluso en caso de modificaciones en la
estructura de producción.
En lo que se refiere a los costes de inversión, conviene recordar que el gasto de una
instalación que tenga en cuenta las reservas para el futuro no es muy distinto del de otra
que
no lasLas
prevea
si la diferencia
en el tamaño
demuchas
las tuberías
es tan
sólollevan
de una
dos
medidas.
posibles
mejoras posteriores
(que
veces
no se
a ocabo)
costarían mucho más que la estructura inicial preparada para ampliaciones.
Los siguientes puntos son importantes para diseñar una red de aire comprimido
correctamente:
Selección de tuberías:
-
Consumo de aire comprimido
Longitud de la tubería
--
Presión de servicio
Caída de presión
Resistencias al flujo
-
-
Tubería y co nexiones:
-
Elección del material para las t uberías
de aire comprimid o:
Tipo de salidas
Válvulas de cierre
Purgadores de condensados
Lubricadores de herramientas
Filtros de polvo
Filtros de aceite
Válvulas reductoras de presión
Mangueras
Acoplamientos
-
Condiciones ambientales (humedad,
temperatura, contaminación química
del aire)
Calidad del aire comprimido (contenido
de humedad y de aceite, temperatura)
Carga estática
Campo de aplicación (normativas)
Coste
Duración esperada
Trazado de la red:
-
Sistema anular
Tubería de conexión
Tubería recta
Acoplamientos de tuberías
Grifería
Distancia entre suspensiones
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5. Distribución del aire comprimido
Resistencias ofrecidas al flujo por los accesorios y su conversión a longitudes de
tubería
Todas las conexiones y accesorios que se montan en una red de aire comprimido provocan
una caída de presión en la red de tuberías, por lo que habrá que tenerlos en cuenta a la
hora de dimensionar la red. P ara simplificar, la caída de presión se traduce a longitudes
concretas de tubería recta que causarían en cada caso la misma pérdida de energía.
La conversión se realiza atendiendo a la siguiente tabla:
Ac ces or io s
Longitud de tubería equivalente en m para DN
25
40
50
80
100
125
150
200
250
300
400
Válvula de cierre abierta,
medio cerrada
Válvula de membrana
Válvula angular
0,3
5
1,5
4
0,5
8
2,5
6
0,6
10
3,0
7
1,0
16
4,5
12
1,3
20
6
15
1,6
25
8
18
1,9
30
10
22
2,6
40
30
3,2
50
36
3,9
60
-
5,2
80
-
Válvula de asiento
Válvula de retención
Codo
R =2d
Codo
R =d
Codo articulado
Pieza en T en la
dirección del flujo
Pieza en T en la
dirección de la derivación
Reductor
3-6
2,0
0,3
5-10
3,2
0,5
7-15
4,0
0,6
10-25 15-30 20-50 25-60 30-75
6,4
8,0
10
12
16
20
1,0
1,2
1,5
1,8
2,4
3,0
24
3,6
32
4,8
0,4
0,6
0,8
1,3
1,6
2,0
2,4
3,2
4,0
4,8
6,4
1,5
0,5
2,4
0,8
3,0
1,0
4,8
1,6
6,0
2,0
7,5
2,5
9
3
12
4
15
5
18
6
24
8
1,5
2,4
3,0
4,8
6,0
7,5
9
12
15
18
24
0,5
0,7
1,0
2,0
2,5
3,1
3,6
4,8
6,0
7,2
9,6
Tabla 5-2:
Longitudes de tubería equivalentes a cada elemento de tubería o accesorio
En el momento de calcular el dimensionado, la longitud final será el resultado de sumar la
longitud de las tuberías rectas más la caída de presión de toda la tubería (traducida a
longitud de tubería). Como simplificación puede aplicarse un factor de multiplicación de 1,6 a
la longitud de las tuberías rectas, que en la mayoría de los casos cubrirá todas las pérdidas
por elementos de conexión y accesorios en la red.
Longit ud tot al de tuberías:
Ltotal =Lrecta + Lequivalente
o el cálculo aproximado
Ltotal = 1,6 x Lrecta
Ejemplo:
Tenemos una red de aire comprimido con 100 m de tuberías y una sección interior de
tuberías de 100 mm. Además, tiene instalados los siguientes accesorios y conexiones:
Acc esor io o cone xi ón
Canti dad
Válvula de cierr e, abierta
Codo r = d
Pieza en T (derivació n)
Reductor
8
12
2
4
Lo ngi tu d d e tu ber ía equi vale nte en m
Por elemento
Suma
1,3
1,6
6
2,5
Suma
El resultado es una longitud total de 100 m +
52 m =152 m.
Tabla 5-3:
Ejemplo de cálculo de longitud de tuberías
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10,4
19
12
10
~52
10
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5. Distribución del aire comprimido
Secció n mínim a de las tuberías de aire compri mid o
La sección exigida se calcula a partir del caudal, la presión de servicio y la longitud total de
las tuberías. Para las redes de aire de menos de 200 m de longitud total puede calcularse la
sección de las tuberías con ayuda de la tabla siguiente (válida para una caída de presión de
~0,1 bar):
Caudal
m³/min
Pres. de servici o 7,5 bar
Longitud total
hasta 50 m hasta 100 m hasta 200 m más de 200
hasta 0,5
¾″
1″
1 ¼″
hasta 1,0
1″
1″
1 ¼″
hasta 1,5
1″
1 ¼″
1 ½″
hasta 2,0
1 ¼″
1 ½″
2″
hasta 3,0
1 ¼″
1 ½″
2″
hasta 5,0
hasta 7,5
1 ½″
2″
2″
2″
2″
2″
hasta 10,0
2″
hasta 12,5
2 ½″
2 ½″
hasta 15,0
2 ½″
2 ½″
3″
hasta 17,5
2 ½″
3″
DN100
hasta 20,0
3″
3″
DN100
hasta 25,0
3″
hasta 30,0
hast a 40,0
Tabelle 5-4:
2 ½″ 2 ½″
3″
DN100 DN100
3″
DN100 DN100
DN100 DN100 DN125
o
d
i
m
ir
p
m
o
c
e
ri
a
d
e
s
ía
r
b
u
t
a
r
a
p
a
m
ra
a
g
o
m
o
n
r
e
V
Pres. de servi cio 10 bar
Longitud total
Pres. de servi cio 13 bar
Longitud total
hasta 50
hasta 50 m hasta 100 m hasta 200 m más de. 200 m
hasta 100
hasta 200 m
¾″
1″
1 ¼″
1″
1″
1 ¼″
1″
1 ¼″
1 ½″
1 ¼″
1 ½″
2″
1 ¼″
1 ½″
2″
1 ½″
2″
2″
2″
2″
2″
2″
2 ½″
2 ½″
2 ½″
2 ½″
3″
2 ½″
2 ½″
3″
2 ½″
3″
DN100
3″
DN100
3″
3″
DN100 DN100
3″ DN100 DN100
DN100 DN100 DN125
más de
200 m
o
d
i
m
ir
p
m
o
c
e
ri
a
d
e
s
ía
r
b
u
t
a
r
a
p
a
m
ra
a
g
o
m
o
n
r
e
V
¾″
1″
1 ¼″
1″
1″
1 ¼″
1″
1 ¼″ 1 ½″
1 ¼″ 1 ½″
2″
1 ¼″ 1 ½″
2″
1 ½″ 1 ½″
1 ½″
2″
2″
2″
2″
2 ½″ 2 ½″
2 ½″ 2 ½″ 2 ½″
2 ½″ 2 ½″
2 ½″
2 ½″
3″
3″
3″
DN100
3″
DN100
DN100 DN100
3″ DN100 DN100
DN100 DN100 DN125
o
d
i
m
ir
p
m
o
c
e
ri
a
d
e
s
ía
r
b
u
t
a
r
a
p
a
m
ra
a
g
o
m
o
n
r
e
V
Secciones mínimas para tuberías de aire comprimido
Como la sección nominal de las tuberías se indica unas veces en DN (diámetro nominal) y
otras en pulgadas, la tabla 5-5 puede ayudar a convertir las secciones indicadas con más
frecuencia.
Sección nominal de tub erías – Equivalencia
Tabla 5-5:
mm (DN: diámetro nomin al)
Pulgadas (Inch)
DN 6
DN 8
DN 10
DN 15
DN 20
DN 25
DN 32
DN 40
DN 50
DN 65
DN 80
DN 100
DN 125
DN 150
R 1/8
R 1/4
R 3/8
R 1/2
R 3/4
R1
R 1 1/4
R 1 1/2
R2
R 2 1/2
R3
R4
R5
R6
Conversión DN – pulgadas
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5. Distribución del aire compr imido
Cálcu lo de la sección int erior de las tuberías
Existe una fórmula general aproximada para calcular la sección de aquellas tuberías que por
su longitud quedan fuera de la tabla 5-4 (cálculo empírico):
di =
5
1,6 x 10 x V
Δp
,
di = Sección interior de la tubería (m)
ps = Sobrepresión del sistema (en Pa)
L =Longitud nominal (m)
V =Flujo volumétrico (m³/s)
Δp=Pérdida de presión (Pa) (predefinida)
xL
x ps
Otra posibilidad para calcular la sección interna de las tuberías es usar el nomograma de la
ilustración 5-12. Proceda del modo siguiente:
En primer lugar, marque el punto correcto en los ejes A y B, correspondientes a la longitud
de tuberías y al caudal. Una después ambos puntos trazando una línea recta, cuya
prolongación cortará el eje C. Luego, marque en los ejes E y G la presión mínima del
sistema y la pérdida de presión máxima deseada. La línea recta que une esos dos puntos
cortará el eje F. Uniendo finalmente los dos puntos de corte de los ejes C y F con otra recta,
cortaremos el eje D en el punto que nos indica la sección correcta para la tubería en
cuestión.
® ¡Elija siempre una sección mayor que el valor medio indicado!
Longitud de tubería
en [m]
Sección
libre [mm]
Pérdida de
presión [bar]
Caudal
[m³/h]
[m³/min]
Presión
sistema
[bar (s)]
1
4
2
7
8
6
5
3
Nomograma para calcular
la sección de tuberías de aire comprimido
Ilustración 5-11:
Das KAESER –Druckluft-Seminar
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121/251
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5. Distribución del aire compri mido
5.5
Elección de materiales
Todas las redes de aire comprimido tienen que cumplir las siguientes premisas:
Hermeticidad
Protección anticorrosión
Alta resistencia a las temperaturas de servicio
Alta resistencia a la presión
Baja resistencia
En la elección del material para las tuberías se recomienda orientarse por criterios técnicos.
Además de la hermeticidad de los empalmes y la protección contra corrosión, la resistencia
a la presión y a las altas temperaturas son aspectos vitales a tener en cuenta.
Influencia de la temperatura en la presión máxima admisible
El aumento de temperatura reduce el límite de dilatación de los materiales. La hoja DIN
2401 informa sobre la relación entre la presión nominal y presión de servicio máxima
admisible para distintos materiales.
Pres. nominal
[bar (s)]
Tubos de
acero sin
soldaduras
DIN 2448
Pres. de servicio máx. admisib le [bar (s)]
para aire comprimido
hasta 120 °C
para aire compri mido
hasta 200 °C
2,5
Ac 35
2,5
2
6
Ac 35
6
5
10
Ac 35
10
8
16
Ac 35
16
13
25
Ac 35
25
20
40
Ac 35.8
40
36
64
Ac 35.8
64
50
100
Ac 35.8
100
80
Tabla 5-6:
Presión admisible para tubos de acero sin soldaduras
Ejemplo:
Contamos con una red de aire comprimido diseñada para 6 bar (g) y que está sometida a
una presión de prueba de 6 bar (g), y que a temperaturas de más de 120 °C sólo puede
funcionar a 5 bar (g).
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5. Distribución del aire comprimido
¿Tuberías de aire comp rim ido d e metal o de plásti co?
En principio pueden usarse ambos materiales, que presentan diferentes ventajas y
desventajas (tablas 5-7, 5-8). Sin embargo, dentro de la propia estación de compresores
deberá evitarse el uso del plástico. Las tuberías de ese material tienen la ventaja de ser
resistentes a la corrosión, de pesar poco y ser fáciles de montar, pero en caso de avería en
los componentes de refrigeración del aire comprimido podría darse una sobrecarga térmica
de las tuberías.
Material
Tuberías de acero sin
soldaduras
Tuberías a rosc a
Tuberías de acero
inoxidable
Tuberías de cobre para
instalaciones eléctricas
estirado o galvanizado, sin
soldaduras acorde a
EN10220 serie 1
Peso moderado acorde a
DIN 2440
Pesadas acorde a DIN 2441
estirado o galvanizado
Sin soldaduras o soldadas
acorde a
DIN-EN ISO 1127
Blandas en anillos
DIN-EN ISO 1057
Duras en longitudes rectas
DIN 12449
Material
Por ejemplo: Ac. 37.0
acorde a EN10216-1
Sin soldaduras o soldadas
Ac. 33.2 acorde a DIN17100
Por ejemplo, número de
material 4301, 4541, 4571
Cobre
Dimensiones
da 10,2 - 660 mm
1/8“ - 6“ acorde a DIN EN
10242
6 - 273 mm
6 - 22 mm blanda
6 - 54 mm dura
54 - 131 mm dura
Sobrepr. de servicio
admisible
da ≤ 219,1 mm pmáx =64 bar
219,1 mm <da ≤ 660 mm
pmáx =25 bar
10 bar
Hasta 80 bar y a veces más
alta
Según tipo
16 - 140 bar
Extremos de las
tuberías
Lisos
Cónicos, lisos o con rosca
Lisos
Lisos
Empalme de tuberías
Soldadura
Rosca, soldadura
Soldadura (en atmósfera
protectora)
Atornillada, soldadura
blanda (ajustes), soldadura
Ventajas
Empalmes herméticos
Muchas piezas preformadas
(con rosca)
Conexiones de tuberías
herméticas
Libre de corrosión
Libres de corrosión
Paredes internas lisas
Instalación sólo por
personal especializado
Oferta limitada de piezas
preformadas
La instalación requiere
conocimientos
especializados
Posible formación de
vitriolo
Tipo
Desventajas
Tabla 5-7:
Corrosión
(en parte también con
galvanización)
Instalación por personal
especializado
Corrosión
(en parte también con
galvanización)
Alta resistencia al flujo y por
rozamiento
Fugas tras un largo periodo
de servicio
La instalación cuesta mucho
tiempo por el corte de las
roscas y el soldado
Instalación por personal
especializado
Características de distintas tuberías de metal
Material
GIRAIR o similares
Poliamida
Polietileno
Polietileno reticular
Dimensiones
16 - 110 mm
2 - 40 mm
10 - 160 mm
10 - 160 mm
Norma
DIN 8061/62
DIN 16982
DIN 8074
DIN 16893
Sobrepr. de servicio
admisi ble a 20 °C
12,5 bar
Hasta 100 bar
Hasta 10 bar
Hasta 20 bar
Extremos de las tuberías
Lisos
Lisos
Lisos
Lisos
Empalme de tuberías
Ventajas
Pegado
Sistema hermético
Tuberías y piezas prefor-madas
del mismo material, difícilmente
inflamable
A rosca
Altas presiones
Alta resistencia
química
Soldado
Sistema hermético
Tuberías y piezas preformadas del mismo material, inflamabilidad normal
A rosca/conexión a presión
Alta resistencia térmica, alta
resistencia química
Instalación sencilla, bajo peso, resistencia a la corrosión
Desventajas
Tabla 5-8:
En parte, limitación en dimensiones
Mayor dilatación longitudinal
En parte, inflamabilidad normal
En parte, posible carga estática
En parte, sólo garantía legal
En parte, piezas preformadas de metal
Controlar cada caso concreto
Características de distintas tuberías de aire comprimido de plástico
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5. Distribución del aire compr imido
Plantill a de comparación de materiales
La plantilla de comparación de materiales que le ofrecemos a continuación le será de gran
ayuda al tomar una decisión sobre los materiales que vaya a utilizar. Hemos tenido en
cuenta el coste de los materiales y el del montaje.
Ejemplo:
Debemos elegir el material para una red de tuberías de aire comprimido para los siguientes
campos, por ejemplo:
Aeronáutica, mecánica de precisión / óptica / relojería, carpintería, electrotecnia, industria
textil, imprentas, industria de la alimentación, máquinas de oficina / procesamiento
electrónico de datos, ingeniería industrial, química.
Se trata de campos en los que la alta calidad del aire comprimido (sin corrosión) y las
pérdidas de energía mínimas (tuberías herméticas y con paredes internas hidráulicamente
lisas) son de vital importancia. Además, se esperan facilidad de montaje y una presión de
servicio normal de 7 bar (s).
Los distintos materiales se valoran con los siguientes signos:
x = criterio cumplido
1 = muy bien, 2 = suficiente, 3 = con limitaciones
1)
Tener en cuenta la DIN 2448 – acorde a la normativa de calidad según la DIN 1692
Criterios de
Exigencia
Dimensiones
hasta 50 mm
hasta 100 mm
más de 100 mm
Presión
hasta 10 bar
hasta 12,5 bar
más de 12,5 bar
Corrosión/
Calidad del aire
Temperatura
hasta 20 °C
hasta 50 °C
hasta 80 °C
más de 80 °C
Comportamiento del
flujo
Comportamiento
toxicológico
Exigencias
particulares -
*
*
*
Tuberías de acero DIN 2440, 2441, 2448
estirado
a rosca
estirado
soldado
galvanizada
a rosca
X
X
(X)
X
X
X
X
X
(X)
X (DIN2440/41)
X1)
X1)
X (DIN2440/41)
X1)
X1)
X (DIN2440/41)
X1)
X1)
galvanizada
soldada
X
X
X
X (DIN2440/41)
X1)
X1)
Cobr e
DIN 1786,
17545
Acer o in ox
Plástico
DIN 2462,
Air li ne/
2463
Air pip e, ABS
X
X
(X)
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
(X)
(X)
1
3
3
2
2
2
1
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
2
2
2
2
1
1
1
3
3
3
3
3
1
1
Antiestática
1
1
1
1
1
1
3
Trabajo de instalación
Personal
Otros
3
X
-
2
X
-
3
X
-
2
X
-
2
X
-
2
X
-
1
X
Peso
3
3
3
3
3
3
1
Mantenimiento
3
2
3
2
1
1
1
3
1
3
1
1
1
1
8
6
7
5
4
3
3
Hermeticidad
Suma
Puntos de los
criterios *
*
*
*
* = Marca de los criterios relevantes para la elección individual
X
(X) bis 8 bar
-
técnicamente conveniente
Tabla 5-9: Plantilla de comparación de materiales
En este ejemplo, tanto el cobre, como el acero inoxidable y el plástico son convenientes
desde el punto de vista técnico para la red de aire comprimido. Habría que comprobar otros
aspectos para tomar la decisión.
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5. Distribución del aire compri mido
5.6
Instalación de redes de aire comp rimido
5.6.1
Red de aire comp rimi do con / sin secador
Red de aire compri mido si n secador
En las redes de aire comprimido sin secador, una buena parte del condensado se forma en
la red de tuberías. Para evacuarlo, habrá que montar las tuberías en pendiente (al menos
del 2 %) y adecuarlas con un drenaje de condensados en su punto más bajo. Las salidas
que partan de la tubería deberán tener forma de cuello de cisne ascendente para que el
condensado se quede en la tubería principal.
Tubería
al menoscon
delpendiente
2‰
Unidad de mantenimiento: filtro,
separador de agua
reductor de presión,
lubricador
Compresor
Ilustración 5-12:
Filtro
Regulador
de presión
Drenaje de
condensados
Depósito de presión
con purgador
Red de aire sin secador
Red de aire comprimido con secador
Si la red de aire comprimido está equipada con un secador no será necesario instalar las
tuberías con pendiente, y será posible que las salidas sean en horizontal.
Reductor de
presión
Reductor de presión,engrasador
Compresor
Ilustración 5-13:
Depósito de presión
con purgador
Secador con purgador de condensados
Red de aire con secador
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5. Distribución del aire compri mido
5.6.2
Redes de aire comp rimi do inst aladas en el exterior
Posible inst alación de las tuberías
Las tuberías de aire comprimido pueden instalarse en canales o en socavones
Ventaja: no representan un obstáculo
Desventaja: instalación costosa y difícil acceso,
el separador de agua debe instalarse protegido contra congelación
Las tuberías de aire comprimido se entierran
Ventaja: bajos costes
Desventaja: reparaciones y mantenimiento difíciles,
el peligro de corrosión exige materiales resistentes a la corrosión
Instalación de las tuberías de aire comprimido por encima de la tierra con soportes y
sostenes
Ventaja: coste relativamente bajo
Desventaja: representan un obstáculo, peligro de congelación, deformación estética
En invierno: Si la tubería superficial es corta también será posible un punto de rocío de
+ 3 °C (gracias al secador frigorífico) con:
Grandes secciones de tubería (evita congelación)
Recalentamiento
del aire
volver a entrar a la nave, instalando por
precaución un purgador
de comprimido
condensadosal/ filtro.
Ventilación de la tubería durante las fases de parada
Calentamiento del tramo correspondiente de tubería
Válvula de salida
Tubería de
condensado
Orificio de
inspección
Carcasa protector a
Separador
de agua
Tubería de
aire
c om r im id o
Elementos de hormigón
Ilustración 5-14:
Separador de agua instalado en el exterior protegido contra congelación
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5. Distribución del aire comprimido
5.7
Identificación de tuberías
Acorde a la norma DIN 2403, es imprescindible identificar claramente las tuberías según el
medio que transportan por razones de seguridad, para facilitar una instalación correcta y una
extinción eficaz de posibles incendios. Esta identificación debe informar sobre los peligros
con el fin de evitar accidentes y daños a la salud.
La identificación en los colores que estipula la norma DIN 2403 informa claramente in situ
sobre el medio transportado por la tubería.
La identificación por colores deberá estar presente:
al principio
al final
en las derivaciones
en los puntos donde se atraviesan paredes
en
elementos
delagrifería
y alos
todo
lo largo de
tubería por medio de anillos de colores
Medio
Grupo
Color del
grupo
Agua
Vapor de agua
Aire
Gases inflamables
Gases no
inflamables
Ácidos
Sosa cáustica
Líquidos
inflamables
Líquidos no
inflamables
Oxígeno
1
2
3
4
5
verde
rojo
gris
amarillo
amarillo
RAL
RAL
RAL
RAL
RAL
6
7
8
naranja
violeta
marrón
9
0
Tabla 5-10:
Número del
color
Color
adicional
Color de las
letras
rojo
negro
blanco
blanco
negro
negro
negro
RAL 2000
RAL 4001
RAL 8001
rojo
negro
blanco
blanco
marrón
RAL 8001
negro
blanco
marrón
RAL 5015
-
blanco
6018
3003
7001
1012
1012
Identificación de medios
Carteles
El texto de los carteles pueden ser
números identific ativos
3.1
o palabras
Aire compr imido
8 bar
8 bar
Dirección del flujo
N.º del subgrup o
N.º del grup o
Género de material para aire
comprimido
GRIS = Color del g rupo 3 ” Aire” RAL 7001
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6.
Sistemas de control
6.1
Introducción
6.2
Control interno del compr esor
6.2.1
6.2.2
6.2.3
6.2.4
6.2.5
6.2.6
6.2.7
Modo de control simple
Modo de control Dual
Modo de control Quadro
Modo de control Vario
Modio de control por Modulación
Variación de velocidad
Accionamiento (drive) controlado por frecuencia (SFC)
6.2.7.1
6.2.7.2
6.2.7.3
Accionamiento (drive) de corriente directa
Control con motor de dos velocidades
Control con acople hidráulico
6.2.8
Control SIGMA
6.3
Contro ladores Maestros
6.3.1
Distribución de carga
6.3.2
6.3.3
Relación de tamaño de los compresores
Control por banda de presión, control en cascada
6.3.3.1
6.3.3.2
6.3.3.3
Control en cascada
Control por banda de presión
Ejemplos de secuenciamiento de compresores de tonillo y
compresores de pistón
6.3.4
6.3.5
6.3.6
6.3.7
6.3.8
Secuenciamiento basado en MAC 41
Controlador maestro MVS 8000
Tecnología de centro de control VESIS
SIGMA AIR MANAGER
Tele servicio
6.4
Resumen
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6. Sistemas d e contr ol
6.1
Introducción
En el comercio y en la industria el aire comprimido es la forma de energía más utilizada
seguido de la energía eléctrica. Nos familiarizamos con el equipo eléctrico durante nuestra
niñez pero la importancia, la aplicación y las ventajas de la energía del aire comprimido se
encuentran raramente. Es un hecho que la tecnología de aire comprimido no es cubierta por
el programa escolar normal y que es un tópico raro en conferencias dadas en universidades
técnicas y facultades. Este capitulo pretende contrarrestar esta omisión y compartir algo de
conocimiento de potenciales ahorros energéticos de controladores modernos y sistemas
secuenciadores.
Todavía hay muchos compresores sin coordinar en incontables instalaciones a través de la
industria. En estas instalaciones, hay una pobre relación entre el aire comprimido generado
y la demanda de aire verdadera. La demanda de aire puede ser extremadamente variable,
dependiendo
de trabajo
y de laes
tarea
requerida
y, si de
la producción
aire no está
en función dedel
la turno
demanda,
el resultado
el uso
ineficiente
la energía, de
especialmente
bajo condiciones de carga parcial, e innecesarios costos para el usuario. Los costos
energéticos pueden representar hasta un 87% del total de los costos de generación,
dependiendo del número de horas en operación anuales.
En el pasado, muchos usuarios trataron de ajustar el suministro de aire con la demanda
instalando un número de compresores más pequeños en lugar de un compresor grande, y
encendiéndolos en fases para cumplir con el incremento de demanda. La desventaja de
esto era que el encendido de los equipos disponibles en ese tiempo, requería un incremento
de 1 a 2 bar(g) en la presión final, para hacer posible esas secuencias, con resultado de
incremento de potencia a un ritmo de 6% por cada bar(g) adicional de presión. Los
transductores de presión electrónicos y los PLC o controladores basados en PC ofrecen
gran ayuda al respecto.
Los fabricantes modernos ofrecen muchas posibilidades de variar la salida de una estación
de aire comprimido para ajustarse a la demanda de aire del usuario, desde controladores
para compresores individuales hasta sistemas de control maestros o “administradores de
aire” como son conocidos algunos de los más avanzados. Este capítulo explica lo que
pueden hacer estos los sistemas, sus fortalezas y debilidades y en que áreas de aplicación
estos pueden ofrecer la solución más económica.
El interrogante de que tipo de controlador y que dimensión de compresor es la correcto para
una aplicación particular, puede ser solucionado adecuadamente, cuando el volumen de aire
comprimido requerido durante un período específico es conocido. Es recomendable no
basarse en estimaciones sino medir y calcular la demanda tan exactamente como sea
posible durante todo el período de trabajo.
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6. Sistemas d e contr ol
6.2 Control Interno del Compresor
6.2.1 Modo Simp le de Control
La forma mas simple de control de un compresor es encendido/apagado, como el que se
encuentra normalmente en compresores de pistón. El compresor es controlado al arrancar el
su motor cuando la presión cae a un valor fijado y deteniéndolo cuando un valor máximo se
alcanza. La diferencia de entre estos dos valores fijados, el diferencial (Δp) de maniobra,
debe ser algo alto, alrededor de 2 bar(g), para evitar arranques muy frecuentes del motor.
6.2.2 Modo de contr ol Dual
Uno de los tipos más económicos de control simple es modo de carga-vacío-encendidoapagado conocido como control Dual. Dual indica que el controlador incorpora dos
temporizadores: uno determina el tiempo durante el cual el motor trabaja en estrella antes
de cambiar a delta, y el otro controla el tiempo durante el cual el motor corre en vacío antes
de apagarse. Este tiempo en vacío es esencial para prevenir que el motor exceda el numero
máximo de arranques por hora especificados por el fabricante.
El compresor trabaja bajo carga, llenando el tanque de aire y la red. Cuando el valor fijado
como presión máxima pmax es alcanzado, el compresor detiene la acción de entregar aire
pero el motor continúa en vacío por el tiempo predeterminado. Si el aire es evacuado del
sistema de tal manera que la presión mínima pmin es alcanzada antes que el tiempo de vacío
transcurra, el compresor entra para entregar aire y el motor continúa funcionando bajo carga
y cuando pmax es alcanzada de nuevo, el compresor sale de nuevo y el tiempo de vacío
empieza
correr
de nuevo.
Si el tiempo
dede
vacío
delcuando
motor transcurre
caiga da apmin
el motor
se detiene
y arranca
nuevo
se alcanceantes
pmin. que la presión
El modo de control Dual es utilizado normalmente por el compresor de carga de picos para
evitar arranques de motor muy frecuentes.
presión
pmax
pmin
10
20
r
o
t
o carga
M
l
e
d
a
i
c
n
te vacío
o
P
%paro
Fig.6-1: modo de control Dual
t2
t2 =tiempo en vacío
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Tiempo
3
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6. Sistemas d e contr ol
6.2.3 Mod o de co ntr ol Dual
Para optimizar el costo de energía, se recomienda un tipo de modo de control que puede
seleccionar automaticamente entre operacion carga-vacío-paro-arranque (Dual) y simple
operacion carga-paro-arranque según la demanda de aire, y este se llama modo de control
Quadro. Todos los controladores de los compresores de tornillo KAESER son capaces de
trabajar en modo Quadro y, al minimizar tiempo en vacio, pueden alcanzar un ciclo de
trabajo de alrededor del 90%. El modo de control Quadro es normalmente seleccionado para
maquinas de cargas base y carga media.
El modo Quadro usa cuatro temporizadores:
1. tiempo estrella-delta (t1)
2. tiempo en vacío
(t2)
3. tiempo en carga
(t3)
4. tiempo de venteo
(t4)
El motor arranca en estrella y despues que t1 ha transcurrido , cambia a delta, en cuyo punto
el tiempo de carga t3 empieza. Si este tiempo acaba antes que se alcance pmax la maquina al
alcanzar pmax puede apagarse antes que el corto tiempo de venteo t4 haya transcurrido sin
correr en vacio (1). Si el motor ya esta corriendo en vacio este puede apagarse
inmediatamente (2).
El Segundo temporizador arranca cuando la maquina cambia a vacío. Si la maquina corre
en vacío mas prolongadamente que el periodo temporizado, esta puede cambiar
directamente de carga a paro en su siguiente periodo sin necesidad de ir a vacío excepto
por el corto periodo de venteo (t4)) (3).
Si los tiempos restrictivos no se activan, la maquina corre por el tiempo normal de vacío (t2)
después de alcanzar pmax como en control Dual, mas el tiempo de venteo (t4) (4).
Presión
pmax
pmin
r
to
100 o
m
l carga
e
d
ia
20
0
t3
t2
t3
t3
t2
n
c
te
o
p
e vacío
d
% paro
t2
2
3
1
Tiempo
4
Fig.6-2: modo de control Quadro
r
o
t
100 o
m
20
0
l carga
e
d
a
i
c
n
te
o
p
e
d vacío
tL
tL
tL
tL
tL
tL
tL
tL
% paro
Tiempo
Fig.6-3: ahorro de Quadro sobre Dual
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tL = tiempo en vacío (modo Dual)
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6. Sistemas de contr ol
Ejemplos de modo de contro l Quadro
Ejemplo 1
la maquina esta en paro y el tiempo de paro a expirado. Cuando el compresor
corre de nuevo y alcanza la presión de desconexión (cut-out) pmax este puede ir
directamente a paro sin ir a vacío, excepto por el corto tiempo para venteo.
Ejemplo 2
el motor del compresor corre y el periodo de correr temporizado esta acabando.
Cuando el periodo ha terminado, la maquina puede parar inmediatamente de
que se alcance la presión de salida o, si ya esta en vacío, este puede parar
inmediatamente.
6.2.4 Modo de control Vario
En modo de control vario, el tiempo de vacío varia dependiendo del ciclo de carga previo y
numero de arranques del motor, por ejemplo cada tiempo de vacío es calculado
individualmente basado en que ha pasado antes y el numero permisible de arranques por
hora del motor.
En modo de control vario, el compresor siempre cambia primero a vacío cuando la presión
maxima es alcanzada. Entonces el control Sigma asume sobre el desarrolo de la demanda
de aire y, tomando en consideracion datos actuales de operacion, calcula que tanto tiempo
debe correr el compresor en vacio, de tal manera que no exceda el numero maximo de
arranques por hora del motor. La maquina pasa a paro cuando el periodo calculado de
vacío ha expirado. Si la demanda de aire real es diferente de la esperada por el controlador
y los arranques del motor mas frecuentes de lo pretendido, el controlador simplemente
extiende el tiempo de corrido en vacío de tal manera que la maquina cambie después de
vacío
paro. Esto produce
un compromiso económico entre tiempo mínimo en vacío y
optimaadisponibilidad
del compresor.
El modo Vario es particularmente adecuado para compresores de carga base y maquinas de
media carga.
Presión
pmax
p
min
10
20
0
carga
r
o
t
o
m
l
e
d
a
g
r vacío
a
c
paro
%
tiempo
1 hora
Número máximo de arranques del motor 6 /h
Fig. 6-4: modo de control Vario
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6. Sistemas de Control
6.2.5 Modo de control de modulación
Control de modulación significa variar la entrega del compresor al variar proporcionalmente
la válvula de admisión para regular el volumen de aire que el compresor admite. Este modo
de control no tiene perdidas únicamente a plena carga, también en cargas parciales, sin
embargo, cuando la válvula de admisión esta parcialmente cargada para regular el volumen
de entrada, el consumo de potencia del motor no es reducido proporcionalmente. Al 50% de
la entrega máxima, de hecho, el motor esta requiriendo el 84% del la potencia necesaria de
operación a plena carga.
Este tipo de control es más adecuado en donde se ha instalado un tanque de
almacenamiento de aire muy pequeño o ninguno, como el caso de compresores en lugares
de construcción.
100
100%
90
90
80
80
Delivery [%]
100
80
60
40
Motor
consumo
de pot encia [%]
70
70
60
60
100
92-93
84-87
77-81
50
50
69-75
20
10
10
Presión en
carga
a
i
c
n
te
o
P %
e n
d e
o r
m to
u
s m
n l
o e
C d
40
40
30
30
Presión en
20
20
0
100 90 80
70
60
100 90 80 70 60
50
50
40
30
20 10
40 30 20 10
0
0
Delivery in %
Fig. 6-4: curva de potencia de modulación
presión
pmax
pmin
regulating
pressure
100
car a
t2
e %
d n
e
o
m ia
vacío
u c
s n 20
n te
o o
aro
C p 0
1
t2
Time
t2 =tiempo vacío
Fig. 6-5 :control de modulación
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6. Sistemas d e contr ol
6.2.6 Velocid ad Variable
Variar la velocidad del compresor da una variacion proporcional en la velocidad de la unidad
compresora.
Los accionamientos de velocidad variable pueden entregar aire de manera económica
cuando estan conectados a compresores de tornillo con caracteristicas bien consideradas,
de otra manera, estos pueden resultar en mayores costos energeticos.
La diferencia en la calidad de diseño se puede discernir cuando se considera un desempeño
a máxima carga. Una máquina bien diseñada con un tamaño adecuado de unidad
compresora puede tener máximo desempeño continuamente, en donde una máquina
inferior, con un rango de regulación mayor y una unidad compresora mas pequeña,
rápidamente muestra su inferioridad cuando se le requiere toda la carga a cualquier
duracion de tiempo. La unidad compresora debe correr a mayor velocidad, perdiendo
eficiencia, haciendo mas ruido y requiriendo mas mantenimiento.
Estos puntos aplican a todos los compresores de velociad variable.
Requerimientos de Potencia específica en el rango de regulación de entrega
Curva de arriba
compresores con un rango de regulación del 90% muestran un
mínimo de requeriminto de potencia especifica a 9 m³/min.
Curva de abajo
compresor con un rango de regulación del 60% muestra un
mínimo de requerimiento de potencia especifica a 14 m³/min.
Area rayada
energía ahorrada por la maquina con la unidad compresora
mas grande.
Unidad pequeña
ia ³
c
n
e
)
t /m
o in
p m
e x
d
to W
n (k
e
i a
m
ir c
fii
e c
u e
q p
e s
R e
Unidad grande
Fig. 6-6: requerimiento de potencia
especifica diferentes unidades
Entrega en m³/min
Las siguientes páginas describen varios modos de control internos usando variación de
velocidad.
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6. Sistemas de Contro l
6.2.6.1 Accion amientos con trol ados por frecuencia
Bajo control de frecuencia, el compresor llena el tanque de aire y la red en carga hasta la
presión de regulación sea alcanzada. En este punto la unidad con control de frecuencia
ajusta la velocidad del motor para tratar de mantener presión al valor de regulación. Si no se
saca aire del sistema, la presión se incrementa, a pesar de disminuir la velocidad del motor,
hasta que se alcance pmax, en donde en compresor cambia a vacío por un tiempo
programado (t2), como en el modo de control Dual. Si este tiempo expira antes que la
presión caiga a pmin el motor pasa a apagado.
Presión
pmax
Presión de
regulación
pmin
100
20
0
r
o
t
o carga
m
l
e
d
a
i
c
n
e
t
o vacío
P %
t2
t2
arol
tiempo
t2 =tiempo vacío
Fig. 6-7:Motor controlado por frecuencia
Como se ilustra en la figura 6-8, el
rango óptimo de trabajo de un
compresor controlado por frecuencia
no es principalmente en 100% de su
capacidad.
Estos están usualmente diseñados
para tener su punto óptimo al 65%
del
consumo
energético
y más allá
de esto,
para su
mejor requerimiento
de potencia específica. Un factor
contribuyente para esto es el
requerimiento de potencia del
convertidor de frecuencia mismo
que permanece constante en 3-5 %
de la potencia de todo el rango de
entrega.
100
Actual power
relationship
90
80
%
in
n
io
t
p
m
c s
u
le
E n
o
c
r
e
w
o
p
ic
tr
70
Ideal
line
60
50
Load pressure
40
30
Idling pressure
20
10
100
0
Delivery in %
Fig. 6-8: Power curve of a screw compressor
El accionamiento de velocidad variable es, sin embargo, una solución económica en ciertas
circunstancias, particularmente en donde un compresor grande conmuta frecuentemente a
vacío o en donde la aplicación requiere una presión muy estable.
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6. Sistemas de Contro l
Función del cont rolador de frecuencia
El variador de frecuencia es alimentado por una fuente principal normal de 50Hz (60Hz) en
donde la corriente primero es rectificada y filtrada antes de ser convertida por switcheo
electrónico en corriente alterna trifásica. La frecuencia de esta salida puede ser variada
entre 15 y 50 Hz (60Hz), por ejemplo, y con ello variar la velocidad del motor que
consecuentemente suministra el volumen de entrega del compresor.
V principal
V rectificado
V filtrado
V convertidor
I motor
Fig. 6-9: Motor controlado por frecuencia
Bajo carga parcial, digamos 50% de la máxima entrega, el consumo de corriente,
dependiendo de la unidad compresora, está entre el 50 al 55% del máximo.
Los compresores controlados por frecuencia son usados en conjunto con compresores de
velocidad fija para operar continuamente y regulado para mantener el ritmo con la demanda
pico.
Un análisis detallado de perfil de demanda, usando las herramientas de ADA y KESS
desarrolladas por KAESER, pueden determinar si una máquina controlada por frecuencia o
múltiples compresores (splitting) es la mejor solución para una aplicación específica.
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6. Sistemas de Contro l
6.2.6.2 Control de corr iente di recta
El comportamiento del control de DC, bajo condiciones de carga parcial, es el mismo que
con el de controladores de frecuencia, la curva de potencia en 6.2.6.1 también aplica.
Función
Motores paso a paso modernos tienen los devanados en la carcaza (estator) y los imanes
permanentes montados asimétricamente en el eje para asegurar encendido en la dirección
correcta. Los devanados producen campos magnéticos secuenciados en la dirección de
rotación y al variar la frecuencia de secuencia varia la velocidad de rotación del motor.
devanados
Eje
con imanes
permanentes
Fig. 6-10: variación de velocidad, motor stepper DC
Presión
pmax
Regulating
ressure
pmin
100
20
0
%
r car a
o
t
o
m
a
i
c
n
e
t
o vacío
P
t2
t2
aro
tiem
t2 =tiempo vacío
Fig. 6-11: Regulación DC
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6. Sistemas d e contr ol
6.2.6.3 Control con mo tor de dos veloci dades
En una aplicación donde, por ejemplo, solo la demanda del primer turno se aproxima al
100% de la capacidad del compresor y en el segundo turno es mucho menor, digamos 50%,
las diferncias en los niveles de demanda pueden ser ajustados con un compresor con motor
de dos velocidades. El motor puede operar entre unas 1500 rpm y 750 rpm para reducir el
volumen de entrega del compresor por la mitad.
El modo de conrtol Dual es utilizado en ambos casos de tal manera que, cuando cae la
demanda, el compresor pasa a vacío por un tiempo específico y entonces, si la demanda no
incrementa, el motor se detiene.
Presión
Alta velo ci ad
baja veloc id ad
1st. shift
2nd. shift
pmax
pmin
100
20
0
%car a
n
i
r
e
w
o
p
r vacío
o
t
o
M aro
t2
t2
t2 =tiempo vacío
tiempo
Fig. 6-12: motor de 2 velocidades
6.2.6.4 Control de acople hid ráulico
El uso de acople hidráulico es la forma menos adecuada de regulación de la entrega de los
compresores de desplazamiento. Estos dispositivos incrementan el costo de inversión de la
máquina y no dan ahorros en consumo de potencia en cargas parciales.
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6. Sistemas de Contro l
6.2.7 Cont ro l SIGMA
Fig. 6-13: panel de operador Sigma Control
Con varias posibilidades de operación, como la interfase Standard Profibus, el CONTROL
SIGMA es la elección perfecta para comunicar en red los compresores con el administrador
de sistema de aire comprimido SIGMA AIR MANAGER.
Los previamente programados modos de control Dual, Quadro, Vario y Control Continuo
habilitan al SIGMA CONTROL a ajustar con precisión el consumo de potencia del compresor
con la demanda de aire actual. Programas para control por modulación y control por
frecuencia están incluidos en la memoria para ser activados cuando se requieran. El
resultado es aun mayores ahorros energéticos, ya que fases costosas en vacío del
compresor son reducidas a un mínimo absoluto.
HAUPTANTRIEBSTEH
BR
T,EMSEISTAKTIVIERT
WERKZEUGWECHSELVORBEREITEN
R OF
P
IL
Hardware:
· Computadora Industrial
(SICOMP) con
Software:
· 5 modos diferentes de
microprocesador Intel
·
grafica
· Alimentación 24 V
completamente
estabilizada
· Relés de 250 V, salidas a
transistor en 24 V
· Standard industrial
demostrado
·
·
·
·
·
· Pantalla completamente
control
Temporizadores
programables
Memoria de eventos
Textos de información
Actualizable
Compatible con Simatic
Un software para todos los
modelos de compresores
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BS61
RO
P
F IL
BS61
P RO
IL
F
BS61
P RO
IL
F
BS61
comunicacion:
· Todos los compresores
conectados pueden ser
monitoreados
· 3 puertos seriales:
- Modem RS 232
- RS 485 para control
esclavo maestro
- Profibus
· Salidas analógicas de
4-20 mA
· Contactos a relé
· Conexión compatible
globalmente
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6. Sistemas de control
Pantalla de despliege de texto
Displaybereich mit Klartextanzeige
Función básica:
Grundfunktion:
ON/OFF
EIN/AUS
Ampelfunktionen
Funciones de
semáforo
Erweiterte
Funktionen
Funciones extendidas
Luces indicadoras fácilmente entendibles, similares al semáforo:
Rojo:
alarma
Amarill o: mantenimiento/advertencia
Verde: operacional
Fig. 6-14: Luces de indicacion del Sigma Control
El controlador SIGMA es sencillo y fácil de operar y ofrece
funciones intu itivas:
·
Pantalla grande, en 30 idiomas
Temporizadores con 4 programaciones por dia, semana y año
Cambio carga base entre dos compresores
Modos de control Dual, Quadro, Vario y Continuo
Señal de entrada para encendido y apagado remoto
Señal de entrada para carga/vacío remoto
Alarma externa por ejemplo para secador refrigerativo
Alarma externa para mantenimiento por ejemplo para ECO
DRAIN
Relé libres de potencial con contactos para: Controlador
encendido, alarma de grupo, y motor encendido; relé de
contacto de conmutación libre de potencial definido por el
usuario para: compresor encendido, advertencia en grupo,
operación remota, vacío, cargando, temporizador activo,
contacto del temporizador, paro de emergencia, alarma del bus
u comunicación, presión muy baja.
Contacto de conmutación de “motor encendido” para sistemas
de ventilación con relé libre de potencial, máximo 3 A, 230 V
±10%
Contadores de intervalos de mantenimiento, datos medidos e
indicadores de estado.
Puerto RS 232 para modem o impresora, puerto RS 485 para
·
·
·
compresor
esclavo, Profibus
DP
Circuito de protección
para compresor
Transductor electrónico de presión
Entradas y salidas configurables para funcionalidades adicionales.
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
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6. Sistemas de Control
6.3 Contr oladores Maestros
6.3.1 Distri bución de carga
El uso de controladores internos del compresor y controladores maestros o “Administradores
de Aire” permiten producción económica de aire comprimido incluso bajo condiciones de
carga parcial con distribución de carga sobre un número de compresores. Las diferentes
opciones se dan de la siguiente manera:
Por ejemplo: repartir la carga
1 x 15 m³/min
1 x 15 m³/min
1 x 15 m³/min
3 x 7.5 m³/min
1 x 9 m³/min
2 x 6 m³/min
Fig. 6-15: ejemplo de
repartición de carga
Una fábrica trabaja tres turnos con las siguientes demandas de aire:
Primer turno:
15 m³/min
Segundo turno: 12 m³/min
Tercer turno:
6 m³/min
Semianrio de Aire Comprimido KAES ER
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6. Sistemas de Contro l
Existen numerosas posibilidades de configuración de maquinas y una decisión debe
tomarse según sea lo mas adecuado.
1. Un ú nico compr esor entregando 15 m³/min
Las condiciones para cada turno son:
Primer turno:
Segundo turno:
Tercer turno :
buena eficiencia, no hay respaldo.
el compresor esta cargado parcialmente, la eficiencia es reducida, no
hay respaldo
el compresor esta cargado al 30% de carga, la eficiencia se reduce
aun más, no hay respaldo.
2. Dos compr esores, cada uno entregando 15 m³/min
Primer turno:
Segundo turno:
Tercer turno :
buena eficiencia, respaldo completo.
solo uno de los compresores esta parcialmente cargado, la eficiencia
se reduce, respaldo completo.
solo un compresor esta cargado 30%, la eficiencia se reduce aún mas,
respaldo completo.
3. Tres compresores. Cada uno entregando 7.5 m³/min
Primer turno:
Segundo turno:
Tercer turno :
buena eficiencia, respaldo completo
el compresor de punta esta cargado parcialmente, se reduce
levemente la eficiencia, respaldo completo.
buena eficiencia, el compresor punta es capaz de cubrir toda la
demanda, respaldo completo.
4. Un c ompresor, entregando 9 m³/min y dos entregando 6 m³/min
Primer turno:
Segundo turno:
buena eficiencia, casi respaldo completo con la maquina en reserva
el compresor para carga punta esta cargado parcialmente, unicamente
se encuentra una leve reduccion de la eficiencia, respaldo completo
Tercer turn o :
con
la maquina
buena
eficiencia,enelreserva.
compresor para carga punta cubre la demanda,
respaldo completo.
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6. Sistemas de Contro l
6.3.2 Relación de tamaño de los comp resores
La relacion de las capacidades de los compresores (entrega) uno con otro es importante
para la correcta regulacion de multiples conpresores cuando se divide la carga.
Aguj ero s en el c on tr ol
Si se utilizan diferentes tamaños de compresores para suministrar la carga base, media y de
puntas y estas capacidades no se sobreponen, ocurre lo que se llama agujero de control.
Los agujeros de control tambien ocurren cuando un compresor de velocidad variable es
usado para cubrir las cargas punta y el rango de control de la entrega de esta maquina es
menor que la entrega de la próxima máquina que se arranca. Como lo ilustra la figura 6-16,
un agujero de control ocurre en el momento en que la demanda de aire supera la entrega
del compresor de regulación (en este caso el compresor de velocidad variable). El
controlador enciende una maquina base que es demasiado grande y el compresor de
velocidad variable no puede disminuir la velocidad suficientemente para ajustarse a la
demanda. Esto provoca que la maquina de carga base entre y salga muy frecuentemente
por operación económica. La presión de la red se altera fuertemente y no se puede lograr
presión estable, esta es una situación ineconómica.
El dimensionamiento incorrecto de compresores de carga base, media y puntas es el error
mas común en la planificación de estaciones de compresores y no lo puede aliviar el
controlador maestro.
Repartición de carga usando compr esor de entrega variable – Agujero de Contro l
Anlag ens pl ittu ng
Aguj ero de
Carga punta
control
Rango de co ntrol
Carga Carga base 3
punta
agujero de
control
a
d
n
a
m
e
d
/
a
g
e
tr
n
E
Rango de co ntrol
Carga
punta
Aguj ero de
control
-
Carga base 2
Carga base 2
Rango de co ntrol
Demada
punta
Carga base 1
Carga base 1
Carga base 1
Compresores en linea
Fig. 6-16: compresores para carga punta muy pequeños crean agujeros de control
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6. Sistemas d e contr ol
Usando un compresor de entrega variable en combinación de máquinas de entrega
fijas.
El rango de entrega de las máquinas de entrega variable debe ser mayor que el volumen de
entrega de las maquinas de carga media y base.
La figura 6-17 indica el arreglo con un compresor de entrega variable para carga punta
correctamente dimensionado. Cuando la demanda excede la entrega de la máquina de
carga media, el compresor de entrega variable puede sobre pasar el suministro.
División de carga con un compresor de
entrega variable para carga punta
Rango de regulación
Rango de regulación
d
n
a
Rango de regulación
e
m
d
/
y
r
e
v
il Rango de regulación
Carga
e
d
punta
ri
A
Gap de
control
Carga
unta
Carga
media 1
Carga
punta
Carga base 1
Carga
media 1
Carga base 1
Entrada de
Fig. 6-17: dimensionamiento correcto de un compresor de
entrega variable para cargas punta
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6. Sistemas de Contro l
Agujeros de control también pueden ocurrir cuando se divide la carga utilizando múltiples
compresores pequeños para el pico de carga (ver figura 6-19). Su volumen de entrega debe
ser tan grande o preferiblemente mayor que las correspondientes maquinas para carga
media y base, si no ninguna regulación final ni ahorro de tiempo en vacío será posible.
Esto ilustra la importancia del dimensionamiento correcto de compresores para
funcionamiento correcto de control y la necesidad de planeamiento detallado del sistema de
aire comprimido.
División de la carga con compresores convencionales
a
d
n
a
m
e
d
/
a
g
e
rt
n
E
Carga
pico 2
Carga
pico 2
Carga
pico 1
Carga
pico 1
Carga
pico 2
Carga
media 1
Carga pico 1
Carga
pico 1
Carga
media 1
Carga
pico 1
Carga
base 1
Carga
pico 1
Carga
base 1
Compresores en línea
Fig. 6-18: compresores en linea en la zona de carga pico
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6. Sistemas de Contro l
6.3.3 Control de banda de Presión, control en cascada
6.3.3.1 Control en cascada
El método clásico de controlar un grupo de compresores es el control en cascada. A cada
compresor individual se le asigna valores de presión máximos y mínimos (pu, po) para que
sumen o resten capacidad de compresores para suplir la demanda del sistema. Cuando la
demanda de aire es baja, solo un compresor entra y la presión asciende y fluctúa en el
rango superior entre los valores mínimo (pmin =pu) y máximo (pmax =po) de este compresor, la
presión cae cuando la demanda de aire es mayor y varios encienden para satisfacerla (Fig.
6-19). De esto resulta una relativamente alta fluctuación general de presión con valores
máximos muy por arriba de la presión de trabajo nominal, incrementando significativamente
fugas y sus consecuentes perdidas de energía. Por otro lado, si el consumo es alto, la
presión cae bien por debajo de valor de presión nominal y se tiene una reducción de la
reserva de presión en el sistema.
Presión [bar]
8.5
8.0
7.5
Compresor 1
7.0
C2
C3
C4
6.5
p muy baja (alarma)
tiempo
Fig. 6-19: cascada de 4 compresores
Control en cascada con interrupto r de presión de diafragma
Si se utiliza un interruptor de presión o manómetros para el control en cascada entones
generalmente el valor mínimo de diferencial entre presión de entrada y salida debe ser fijado
a 0.5 bar por cada compresor individual, y cada punto de conexión debe traslaparse en por
lo menos 0.3 bar. El numero máximo de de compresores que deberían ser controlados de
esta manera es cuatro, y esto generalmente resulta en una variación acumulada de presión
de 1.4 bar para el grupo.
Control en cascada utilizando interrup tores de presión electrón icos
El uso de transductores de presión electrónicos reduce el diferencial de conmutación de
presión en los compresores individuales a 0.2 bar y también permite la reducción en el
escalonado entre puntos de conmutación de los compresores. Esto puede producir una
reducción de la presión acumulada del grupo a 0.7 bar.
Como ya se ha mencionado, no se deberían de controlar mas de cuatro compresores con
control de cascada, de otra manera existe el peligro de que la potencia requerida y las
perdidas por fugas sean extremadamente altas por la gran fluctuación de presión
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6. Sistemas de Contr ol
6.3.3.2 Control por Banda de Presión
Sin duda, el método más moderno y eficientemente energético para coordinar compresores
múltiples es el control por banda de presión. La operación de cualquier número de
compresores puede ser coordinada para mantener presión del sistema en un rango llamado
banda de presión. Una condición vital, sin embargo, es el uso de un PLC secuenciador, o
mejor si es una computadora industrial con inteligencia de control.
Control por banda de presión de compresores múltiples (MVS / SAM / VESIS)
p/bar
dpo1
dpu1
o2 = w + d o2
po1 = wp + dpo1
dpo2
wp (set pressure)
dpu2
pu1 = wp - dpu1
pu2 = wp - dpu2
p low
tu1
t/s
to1
Fig. 6-20: control por banda de presión
Descripción
Si la presión del sistema cae por debajo del valor consigna de presión wp menos dpu1 o dp2
como diferencial de conmutación, el controlador revisa primero los compresores por operar
en el grupo actual que no estén encendidos bajo carga y que son seleccionados. Entonces
el selecciona de estos el compresor con menos horas acumuladas de operación y lo pone
en carga. Si la presión del sistema no exceda pu1 después un periodo especifico tu1, el
siguiente compresor es puesto en carga.
Si la presión del sistema sube al valor consigna dp 1, el compresor con mayor cantidad de
horas de operación es conmutado a vacío. Si la presión del sistema se mantiene arriba de
po1 durante el periodo especificado to1, el siguiente compresor es puesto en vacío.
El control por banda de presión trabaja con un diferencial de conmutación mucho menor que
el control por cascada, permitiendo una reducción en la presión máxima que los
compresores tienen que alcanzar, con un consecuente ahorro en energía (tomando en
cuenta fugas).
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6. Sistemas d e Cont rol
6.3.3.3 Ejemplos de secuencias de compresores de tornillo y compresores de
pistón.
Ejemplo 1
Naturalmente, es posible operar compresores de pistón y compresores de tornillo juntos y es
más común encontrarlos en empresas pequeñas en donde los compresores de pistón han
sido parcialmente sustituidos por compresores de tornillo. En esas aplicaciones, los
compresores de tornillo deben siempre trabajar como compresores de carga base y en mas
ventajoso si el compresor de pistón tiene capacidad de irse a vacío. Si el compresor de
pistón tiene el control mas común que es el de encendido/apagado, se deben esperar
fuertes fluctuaciones de presión (figura. 6-21), cuando el compresor de tornillo es forzado a
operar con el mismo diferencial de conmutación que el del compresor de pistón (control en
cascada).
Compressor de tornillo/ carga
base
Compressor de Piston/
carga punta
red “ p trabajo "
Fig. 6-21: ejemplo de secuencias 1
g
n
ir
k
o
w
d
e
ri
u
q
e
R
m
u
m
i
n
i
r
a
b
in
p
e
r
u
s
s
e
r
m p
6,5
7,5
9
10
12
Compresor de tor nillo
Control de vacío
ON:
Vacío:
ON:
Δp= 0.5
7,0
7.5
bar
r
o
s
s
e
r
. p
x m
a o
M c
Vacío:
vacío:
11
13
13
12,2
13
13
ON:
ON:
ON: Vacío:
Pistón compresor + tanque
Con contr ol stop/st artΔ = 2 bar
7.5
8.0
10
9.3
10
vacío:
r
a
b
n
i
e
r
u
s
s
re
p
10
ON:
OFF:
vacío
= 0.8 bar
ON:
Vacío:
6.5
7.3
ON:
Vacío:
9.0
9.8
ON:
Vacío:
12
12.8
7.5
9.5
10
ON:
OFF:
Δ
10
12
Fig. 6-22: Ejemplo 1. Secuenciamiento de compresores de tornillo y pistón
Explicación de la figura 6-22 con mínimo de 6.5 bar y contr ol co n vacío
Las presiones de trabajo mínimas y máximas requeridas en la red son 6.5 bar y 7.5 bar
respectivamente. El compresor de tornillo entra primero a 7 bar para suministrar la carga
base con el compresor de pistón entrando a 6.5 bar para manejar la carga punta.
Si la demanda cae y la presión aumenta, el compresor de pistón pasa a vacío cuando se
alcanzan 7.3 bar, seguido por el compresor de tornillo a 7.5 bar. Si la demanda de aire se
incrementa de nuevo y la presión cae a 7.0 bar, el compresor de tornillo entra de nuevo y
trata de cubrir la demanda. Solo si esto no es posible y la presión continua cayendo
entonces enciende nuevamente el compresor de pistón 6.5 bar.
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6. Sistemas d e Cont rol
Ejemplo 2
En este ejemplo, el compresor de pistón tiene únicamente control encendido/apagado, por
su amplio rango de presión este no tiene influencia directa en el diferencial de conmutación
del compresor de tornillo (figura 6-23). La válvula permite la entrega de aire del compresor
de pistón al tanque de almacenamiento y a la red únicamente cuando la presión de la red es
mas baja que el seteo de la válvula. Esto significa que el tanque almacenador propio del
compresor de pistón esta siempre a mas alta presión que la red.
Tan ue de aire
red
p trabajo
Compresor de tornillo/
carga base
Compresor de pistón
/ carga punta
Fig. 6-23: ejempo 2
.
n
i
m
d
e
ri
u
q
e
R
g
in
k
r
o
w
7
9
12
r
a
b
n
i
p
e
r
u
s
s
e
r
p
Válvula
Compresor de tornil lo
Con control de vacío
Δp=0.5
ON:
Vacío:
7.1
7.5
ON:
Vacío:
ON:
Vacío:
9.2
10
12.2
13
bar
t
s
e
h
ig
H
e
in
h
c
a
m
r
a
b
n
i
e
r
u
s
s
re
p
7.5
10
13
e
r
u
s
s
e
r g
p n
t it
s s
e i
h x
e
ig f
H o
compresor de piston + tanque
control st art/stop
Δp = 2 bar
ON:
OFF:
8
10
ON:
OFF:
ON:
OFF:
10
12
13
15
r
a
b
n
i
e
in
h
c
a
m
e
v
l
a
v
n
io
t
c
u
d
e
R
r
a
b
in
g
in
tt
e
s
10
7
12
9
15
12
Fig 6-24: Ejemplo 2. Secuenciamiento de compressor de tornillo y pistón.
Explicación de la
encendido/apagado
figura
6-25
con
presión
mínima
de
7
bar
y
control
Las presiones de trabajo requeridas mínimas y máximas son 7 bar y 7.5 bar
respectivamente.
El compresor de pistón trabaja autónomamente como máquina para carga punta,
manteniendo la presión en su propio tanque entre 8 y 10 bar.
El compresor de tornillo trabaja para suministrar la presión base, entrando a 7.1 bar y
llenando el tanque y la red a su presión máxima de 7.5 bar. Este compresor entra cuando la
presión
cae más
de 7.1
pero
su 7rango
deválvula
suministro
es insuficiente
para satisfacer
la demanda
y la allá
presión
caebar
mas
alláside
bar, la
reductora
abre permitiendo
pasar
aire del tanque del compresor de pistón para llenar la red y establecer diferencia.
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6. Sistemas de Contro l
6.3.4 Secuenciado r d e carga b ase MAC 41
El MAC 41 combina una unidad de display, una unidad de control digital, un reloj de 7 días y
un transductor de presión en una carcaza compacta. El MAC 41 secuencia 2, 3 o 4
compresores (incluyendo compresores de diferente capacidad) según la demanda de aire
actual con control en cascada. El uso de un único sensor de presión común asegura que la
presión de red sea mantenida en una banda estrecha.
PROG
MAC 41
Fig. 6-25: Secuencia con MAC 41
Funciones
· Seteo simple y preciso de la presión de entrada y salida de los compresores, con un
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
diferencial de 0.1 bar.
Cambio automático al switch de presión interno de los compresores en el caso de
falla, y señalamiento de la falla con un contacto con un relé libre de potencial.
Progamación llevada por menú con 3 teclas.
Control en respuesta de la demanda.
Conexión directa y simple a los compresores a través de una sola línea.
Seteo por grupos o número de compresores (incluso maquinas de diferentes
tamaños).
Display de los compresores en línea y condiciones importantes de operación.
Selección manual de los compresores para carga base.
Cambio automático de los compresores de carga base en varios grupos y periodos
ajustables de secuencias.
Reloj de 7 días para cambios de carga base y encendido/apagado de toda la
estación.
Carga de la red principal con encendido del compresor mas pequeño.
Re encendido de compresores después de falla
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6. Sistemas de Contr ol
6.3.5 Controlador maestro MVS 8000 (1985)
El MVS 8000 es capaz controlar hasta 8 compresores. Los compresores conectados son
switchados en línea en secuencia dependiendo del número de horas que han trabajado bajo
carga para asegurar utilización homogénea. El uso de control por banda de presión reduce
el máximo de presión que los compresores tienen que lograr.
MVS8000
Sh
S TOP
OF F
A U TO
F1
F2
F3
F4
F5
F6
RESET
TES T
STA RT
ON
SER VICE
Fig. 6-26: controlador maestro MVS 8000
Funciones
· Se asegura presión de red constante y optima a ±0.1 con control por banda de
·
·
·
·
·
·
·
·
·
presión.
Todos los tipos de compresores pueden ser controlados solo con cambios mínimos
en las maquinas existentes.
Adquisición de datos de presión máxima y mínima, monitoreo de límites de presión
mínimos y alarma si se excede.
Parametrización para tres turnos por DIA.
Control que responde con la demanda
Secuenciamiento equanime de los compresores en un grupo
Adquisición de datos por compresor: tiempo de uso total, tiempo en carga, fallas e
intervalo de mantenimiento.
Parametrización de indicaciones de mantenimiento individuales.
Arranque de compresores escalonado después de caída del sistema.
Concepto de continuidad con compresores capaces de funcionar
independientemente si fuera necesario.
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6. Sistemas d e contr ol
6.3.6 VESIS, tecnolo gia de centro de contr ol (1990)
VESIS es un sistema de administración de aire comprimido. Utiliza la
lógica de control de presión del Sigma Air Manager (SAM) y puede
almacenar todas las alarmas y mensajes de mantenimiento de un
sistema de suministro de aire comprimido, no solo se dispone de
información de compresores sino que también datos del tratamiento de
aire y drenado de condensado.
VESIS es también capaz de controlar y coordinar diferentes sistemas
de aire comprimido para satisfacer con exactitud las necesidades del
usuario.
Fig. 6-27: terminal VESIS
Conectando toda la estación de aire comprimid o al VESIS
Los compresores se conectan al VESIS con Sinec L2 (Profibus). En el
caso de compresores viejos que no se le pueden adaptar un controlador Simatic, estos se
pueden conectar de manera convencional.
User’scontrol level
Computador
nivel de producción
y control de
proceso
nivel supervisorio y de
automatización
SINEC L2 (Profibus)
Nivel de control
Prozeß
Proceso
Fig. 6-28: VESIS
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6. Sistemas de Contro l
Característic as especiales de VESIS
VESIS representa el nivel supervisorio y de automatización. Puede ser conectado vía L2 a
los niveles de control de producción y proceso, e integrado a un sistema de mantenimiento
preventivo y de control unitario de compresores.
Fig. 6-29: Linking to VESIS
Dividir la carga total entre varios compresores
pequeños tenia antes la desventaja que la entrada
progresiva de los compresores requería un
incremento de la presión de 1 o 2 bar para
asegurar el correcto switcheo de cada compresor
(control en cascada).
Sin embargo, un incremento en la presión de solo
1 bar representa un incremento del consumo de
potencia de 6%. Es en este campo que el VESIS,
basado en Simatic, ofrece una solución económica
y practica, que permite según demanda, control de
banda de presión de hasta 16 compresores para
mantener la presión de la red entre una tolerancia
de ±0.1 bar.
Fig. 6-30: fluctaciones reducidad depresin
con control or banda de resion con VESIS
La tecnología VESIS asegura utilización equivalente de todos los
compresores, mantenimiento preventivo altamente simplificado
para ahorro de costos. Un sistema integrado para medición y
proceso permite detección temprana de anomalías y ayuda con el
mantenimiento preventivo.
Fig. 6-31: mantemimiento
reventivo coordiando
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6. Sistemas de Contro l
6.3.7 SIGMA AIR MANAGER (SAM)
Fig. 6-32: Estación de aire comprimido con Sigma Air Manager
Para ser capaces de controlar sistemas de aire fiablemente, se requiere un intercambio de
datos práctico entre el controlador maestro y los controladores internos de los compresores.
Alto rendimeinto y gran capacidad de memoria son las más importantes características de la
computadora industrial que es el corazón del SIGMA AIR MANAGER. El interfase maestro
Profibus DP requiere de un único cable para intercambio rápido y seguro de gran volumen
de datos con SIGMA CONTROL, el controlador interno en los compresores, el cual tiene un
interfase de esclavo Profibus DP. Los componentes de este sistema de automatización
permiten
un suministro de
comprimido
mas fino,
y ahorrador
de energía
que los secuenciadores
deaire
carga
base con mucho
sus limitantes
deseguro
transferencia
y procesamiento
de datos.
El Sigma Air Manager puede controlar 4, 8 o 16 compresores para
dar al sistema, como se despliega en la lista de funciones y
ventajas, que puede almacenar, visualizarse y reaccionar a
mensajes de alarmas y presión en la red.
Este controlador interno maestro puede ser supervisado
remotamente vía Internet y, con la opción Sigma TeleCare, se
pueden incluso transmitir alarmas y mensajes de mantenimiento a
teléfonos celulares predeterminados.
Fig. 6-33: mensajes del SAM
transmitidos a telefono celular
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6 Sistemas de Control
Ventajas decisivas del SIGMA AIR MANAGER
Instalación e interconexión simple
El SIGMA AIR MANAGER y el SIGMA CONTROL tienen, los dos,
interfases integrados Pofibus DP. Esto reduce el esfuerzo necesario de
cableado para el control de los compresores con el SAM hasta un único
cable con conectores standard Profibus DP. Ambos SAM 4/4 y SAM 8/4
están preparados para montaje en pared para ahorrar espacio.
Fig. 6-34:SAM montado en pared
Estructura de menú clara
Con su estructura clara y lógica el usuario es guiado
fácilmente a los menús de opciones requeridos. La
combinación de cuatro teclas de cursor y seis teclas
multifuncionales logra una selección rápida de menús de
opciones, con Iconos fáciles de entender y graficas de ayuda
para la navegación.
Una resolución de 240 x 128 píxeles hace del display ser
fácilmente leíble y una selección de 30 lenguajes hace la vida
más fácil a operadores en cualquier parte del mundo.
Fig. 6-35: guia por menu del SAM
Únicamente unos poc os parámetros son necesarios
El ingreso de valores de banda de presión, valores consigna de presión,
agrupamiento de compresores y el tipo de conexión del compresor,
únicamente son suficientes para habilitar al SAM para controlar en forma
segura y secuenciar la estación de compresores.
Algunos parámetros adicionales pueden ser seteados individualmente para
adaptar la estación de compresores a cualquier condición de operación.
Fig. 6-36: Configuracion
Control p or banda de presión ahorrador de energía
Manteniendo los compresores trabajando entre una banda de
presión estrecha y siendo capaces de reconocer y acomodarse a
la tendencia de la demanda, es la forma ideal de evitar
innecesaria presión final alta.
Inversión se retorna rápidamente porque disminuir el máximo de
presión por un bar únicamente significa 6 por ciento menos de la
Fig. 6-37: presion final adecuada
potencia
consumida
los compresores y 25 por ciento menos
aire que se
pierde enpor
fugas.
Computadora industrial Robusta
El SIGMA AIR MANAGER es seguro porque esta basado en
componentes de hardware probado y testeado, de calidad
industrial.
Su computadora especialmente desarrollada tiene alta capacidad
de procesamiento (tecnología de 32 bits) y una gran memoria de
trabajo. La capacidad de actualización simplifica la integración de
desarrollo de software mas avanzado. El sistema puede trabajar en
temperaturas desde 0 a +40 °C sin ningún problema.
Gabinete con protección IP 54 garantiza la operación segura y
fiable incluso en ambientes sucios y su estructura de acero proteje
su electrónica de interferencias electromagnéticas.
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Fig. 6-38: SAM con computadora
industrial
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6. Sistemas de contr ol
SIGMA AIR CONTROL pres entación vis ual básic a (standard )
Cada SIGMA AIR MANAGER contiene un servidor de
internet que puede desplegar el estado actual de la
estación de compresores visualmente como una pagina
HTML. Esta pagina HTML contiene datos del sistema de
aire, así como el estado actual operacional de los
compresores y el estado momentáneo del panel de control
del Sigma Air Manager, un perfil de la presión de la red de
la ultima fase de operación y servicio y mensajes y alarmas.
Toda esta información – protegida por pass Word – puede
ser revisada desde cualquier PC con ayuda de un buscador
de Internet, sin necesidad de software caro.
Fig. 6-39: Visualisation
Presentació n v isu al SIGMA AIR CONTROL plus
(opción)
Paginas HTML generadas por el SAM plus visualizan
datos almacenados en la memoria de bitácora de
largo plazo. El acceso protegido por pass Word vía un
browser de Internet, despliega perfiles de graficas de
la presión de la red, FAD, rango de carga/vacío de los
compresores, ciclo de trabajo y consumo de potencia
sobe un periodo de largo plazo y facilita auditorias
eficientes de aire comprimido. Los especialistas de
KAESER evalúan la información como se requiera,
para mantener el sistema de suministro de aire
continuamente ajustado a la demanda de aire en el
momento. El SIGMA AIR CONTROL plus esta
disponible como una opción de suministro integrada
con el equipo o como un adicional después, en para
montar en el slot PCMCIA. Es suficiente un PC con
browser de Internet y no es necesario software
separado.
Fig. 6-40: Visualisation plus
Versiones de SAM
SAM 16/8
SAM 8/8
SAM 8/4
SAM 4/4
maestroProfibus
RS232 / RS485
4 Di 24VDC
5 DO relés de
conmutación
1 AI 0-20mA (presión)
1 AO 0-20mA
Maestro Profibus
RS232 / RS485
4 DI 24VDC
5 DO relé de
conmutación
1 AI 0-20mA
(presión)
1 AO 0-20mA
PCMCIA
Ethernet
Maestro Profibus
RS232 / RS485
24 DI 24VDC
16 DO relés de
conmutación
8 DO 24VDC
4 AI 2x0-20mA, 2xPT100
1 AO 0-20mA
PCMCIA
Ethernet
Maestro Profibus
RS232 / RS485
48 DI 24VDC
16 DO relés de
conmutación
16 DO 24VDC
8 AI 4x0-20mA, 4xPT100
2 AO 0-20mA
PCMCIA
Ethernet
PCMCIA, Ethernet
Fig. 6-41: versiones de SAM
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Manual de Aire Comprimido Kaeser
6. Sistemas de Contro l
Funcion es y benefici os del SIGMA AIR MANAGER
Presión de red constante y óptima utilizando control
por banda de presión , diferencial mínimo de 0.1 bar.
diferencial óptimo de switcheo , evitando compresión
alta innecesaria =ahorros energéticos
Requerimientos de alambrado muy bajos entre el
SIGMA CONTROL y su periferia vía interfaces
Profibus-DB.
costos de i nstalación bajos porque los compresores
Medición de máximo y mínimo de presión vía entrada
analógica de 0...20mA, monitoreo de presión mínima,
alarma de presión baja, salida de presión, señal 0...20mA.
Información práctica de las condiciones de la red,
presión actual de red, monitoreo remoto =
incrementa la fiabilidad operacional
Parametrización individual de 32 turnos por semana
operación automática, adaptable fácilmente a
condiciones de operación –
existentes y periféricos son fáciles de integrar
Alta f lex ib il id ad.
Control según demanda.
La selección correcta del tamaño del compresor
relacionada al consumo actual ahorra energía.
Selección uniforme de compresores en un grupo
carga ecuánime de los compresores –
permite servicio coordinado.
Adquisición de datos operacionales de cada compresor
tiempo de trabajo, tiempo en carga, alarmas
Y mantenimiento.
rápida comprensión del estado actual del sistema de aire–
Mensajes automáticos predeterminados individualmente,
por máquina.
indicación de mantenimiento –
Arranque escalonado de los compresores después de un
paro.
sin picos de corriente – sin sobrecarga del sistema
Concepto sencillo y práctico de emergencia,
los compresores pueden funcionar independientes
el sistema esta asegurado incluso si falla el
controlador –
incremento de la fiabilidad operacional.
Permite servicio coordinado
De alimentación de potencia
fiabilidad operacional incrementada
Panel de control con display gráfico (240x128 pixels)
y teclas, hasta 30 idiomas, menús textuales
operación simple, intuitiva con menús de texto
protección de acceso no autorizado – puede ser
cambiado en cualquier momento.
Con el SIGMA AIR CONTROL basic, los datos pueden ser
visualizados con un browser de internet
(RS 232, RS 485 Ethernet).
el método más fácil de informarse del estado del sistema
de aire comprimido desde cualquier lugar es el Internet,
Ejemplo el estado operación de los compresores
La integración de todo el sistema de aire comprimido:
compresores controlados por velocidad y proporcionalmente
con/sin SIGMA CONTROL, componentes de tratamiento.
Selección de compresores y componentes de tratamiento
con relés con contactos o convertidor Profibus
->indicación del estado operativo.
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157/251
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Manual de Aire Comprimido Kaeser
6. Sitemas de Control
6.3.8 Tele servicio
Todos los Sigma Air Manager pueden ser fácilmente integrables en
SIGMA TELECARE, una parte de Tele servicio de KAESER. Esta
equipado con interfaces de modem vía los cuales todos los datos
relevantes pueden ser transferidos instantáneamente al centro de
servicio de KAESER por SMS o vía la red telefónica.
Las medidas de mantenimiento, preventivas y orientadas según
demanda, tomadas después del diagnostico remoto pueden
incrementar grandemente la disponibilidad y asegurar el suministro
de aire comprimido.
Fig. 6-43: mensajes de
teleservicio con un teléfono
RS 232
Fig. 6-44: mensajes de Teleservicio desde una estación de compresores
Ventajas
Þ
Diagnóstico remoto
Conocimiento inmediato del estado de la estación y encontrar fallas rápidamente
Þ
Ajus te d e par ámetro s
Þ
Mantenimiento preventivo
Þ
Mantenimiento relacionado con la demanda
Þ
Monitoreo de máquina y sistema
Producción económica de aire comprimido
Reconocimiento de tendencias, advertencias tempranas, preventivas
Máxima vida de los consumibles
Adquisición y visualización de datos de operación, un especialista de KAESER en el
lugar
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6. Sistemas de Contro l
6.4 Sumario
El desempeño de los diferentes métodos de control y regulación de compresores de tornillo
debe ser juzgado con una base económica. El prerrequisito más importante para la
producción económica del aire comprimido es básicamente un compresor eficiente. Sin
embargo puede ser un buen controlador de carga parcial, pero este no puede mejorar la
eficiencia básica de un compresor, más de lo que un gran rango de control puede
incrementar la economía de una maquina ineconómica. Esto se ve claramente en la figura
6-45 que ilustra los diferentes métodos de producción de aire.
Es importante en todos los casos que solo maquinas de buena eficiencia básica sean
utilizadas. La ineficiencia no puede ser compensada por ningún rango de control
sobreproporcionalmente grande. Esto aplica a rango de control del 90%. Si la eficiencia
básica de un compresor es baja, entonces tratar de igualar el suministro con la demanda
con la variación de frecuencia (variación de velocidad) no lo mejorara. Esta opción cara es
muy
desfavorable
comparada
con la con
combinación
dede
unacontrol
maquina
de 9 m³/min
otra depor
6
m³/min
con un controlador
standard,
un sistema
maestro
usandoycontrol
banda de presión.
Requerimiento de po tencia especific a para un sumini stro entre 3 y 15 m³/min:
Curva superior
Maquina controlada por frecuencia
con requerimiento alto de energía
básica.
Spezifischer
Requerimiento
específico de potencia kW/(m³/min)
3
Leist.A auf kWmin/m
9
Curva inferior
Dos compresores eficientes de
entrega de 9 y 6 m³/min
respectivamente bajo control por
banda de presión de Kaeser.
8
7
6
1
2
5
3
Área sombreada: ahorros de
potencia logrados con dos
maquinas pequeñas bajo control de
carga parcial.
SRequerimiento
p. -Leist. A a uf FU
ereg elt
degpotencia
3
kWmin
/m de una maquina
específica
frecuencia
Scontrolada
p. -Leist. A por
auf VES
IS
3
kWmin /m
4
Área 1:
El compresor con entrega de 6
m³/min está suministrando la carga
base y la otra máquina es detenida.
Requerimiento de potencia
específica, compartida
3
Área 2:
El compresor con entrega de 9
m³/min está suministrando la carga
base y la otra maquina está en
stand by.
2
1
0
0
5
10
15
20
3
Delivery [m³/min]
Lieferm
enge m /min
Área 3:
El compresor con entrega de 9
m³/min está suministrando la carga
base y la otra máquina está
suministrando la carga pico.
Fig. 6-45: Specific power consumption of a frequency-controlled machine compared
with load splitting and pressure band control
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6. Sistemas de Contro l
Cuando se hace una comparación económica de varios sistemas de control, usualmente
solo las características del motor eléctrico son tomadas en cuenta, ignorando aquellas del
compresor como un todo. Una de estas características es el desempeño no lineal de la
unidad compresora de velocidad variable. No es posible controlar una unidad compresora
eficientemente en todo su rango de velocidad. P ara lograr un rango de control que cubra
más del 60% en un compresor de tornillo, su rango de velocidad en los dos lados de lo
óptimo, debe ser utilizado a su máximo.
Esto disminuye, sin embargo, la eficiencia general de la máquina, como lo ilustra la figura
6-46. Con el fin de lograr el mejor desempeño, una unidad compresora relativamente
pequeña debe ser usada, girando a una alta velocidad. Una unidad compresora
especialmente diseñada para máxima entrega va a tener una mejor eficiencia básica pero
no puede ser controlada en un rango grande de velocidad sin un efecto decremental de la
eficiencia de la maquina como un todo. Su rango de control es preferible, sin embargo,
comparado con una unidad compresora pequeña con alta velocidad.
Sp.3
Leist. kWmin/m
potencia específica kWmin/ m³
Curva de arriba
Requerimiento de potencia
específica del compresor como un
todo considerando pérdidas
eléctricas.
10
9
Curva de abajo
Requerimiento de potencia
específica de una unidad
compresora solo relacionada con
su arrastre en el eje en su entrega
y rango de velocidad
8
7
6
5
4
S p.
-Le ist. como
A a ufun
kWmin/
Maquina
todo m
3
S p.-Leist.
M compresora
a b . kWmin/m
Solo unidad
3
3
2
1
0
0
2
4
6
8
10
12
14
16
3
Liefermenge
Delivery
[m³/min] m/min
Fig. 6-46: Higher specific power requirement due to the electrical losses in the frequency controller
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6. Sistemas de Contro l
Dada la tecnología moderna disponible, se puede decir que un compresor controlado por
frecuencia ofrece ventajas económicas cuando se trabaja bajo condiciones de carga parcial
hasta el 65% del máximo de la capacidad.
En un rango de regulación entre 65% y 100%, compresores standard con control
carga/vacío/apagado son mas económicos que las maquinas controladas por frecuencia con
unidades compresoras de baja eficiencia y, en el rango de 90 a 100%, son mas económicos
que aquellos con unidades compresoras tomando en cuenta la alta demanda y el costo de
inversión del motor variador de velocidad.
Los sistemas de administración de hoy ofrecen mejores posibilidades que los
secuenciadores de carga base tradicionales incluso en condiciones de carga parcial menor
que el 65% como máximo. Como esta ilustrado en 6.3.1, una carga pico de 15 m³/min puede
ser suministrada por un numero de pequeñas maquinas, y con esto mejorando la economía
bajo carga parcial y también haciendo posible el lograr mejores resultados de ciclos de
trabajo.
Los ejemplos dados ilustran varias posibilidades de controlar una estación de compresores y
asegurando suministro de aire fiable y económico pero de ninguno se puede en general
decir que es ideal sin referencia de la aplicación específica y características de los
compresores. Es posible estandarizar controladores maestros con capacidad de conectar
compresores de varios tamaños pero una estandarización así no es posible para otros
modos de control como el de variación por frecuencia.
Potencia de FC tipo 1 con unidad compresora pequeña
Potencia de modo Dual DSD 171
Potencia de división de carga, modelos CSD 102 – BSD 62
100 % = 90 kW
120
Potencia de FC tipo 2 (DSD 171)
Linea ideal
100
%
ia
c
n
e
t
o
p
80
60
40
20
0
0
10
20
30
40
50
60
entrega %
70
80
90
100
100 % = 15 m³/min
Fig. 6-47: utilización de potencia relacionada con entrega en carga parcial
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6. Sistemas d e contr ol
Cada aplicación debe ser analizada cuidadosamente para establecer si el rango de control
de un compresor, que no indica una característica de carga constante, es adecuada o no.
Esto aplica a compresores de entrega variable, con excepción del control con rueda giratoria
de fluido, que es un método no adecuado para compresores de tornillo.
Soluciones predeterminadas no son recomendables, ya que pueden ser no solo más caras,
sino pueden resultar más onerosas energéticamente y de alto costo desde el punto de vista
del mantenimiento. Obviamente hay casos en donde las soluciones de control de frecuencia
ofrecen la mejor utilización de energía, pero estos deben ser ajustados a la aplicación
específica. El control de velocidad variable puede ser realmente económico únicamente
cuando el rango de control permanece entre el limite de lo que es razonable para la unidad
compresora en cuestión. Esto también aplica a maquinas con motores de 2 velocidades, Si,
por querer incrementar el rango de control, se escoge una unidad compresora que es muy
pequeña, el propósito de usar control por frecuencia y motores de 2 velocidades, por
ejemplo para ahorrar energía, se forzan y el efecto es el opuesto, con pérdidas de energía y
costos de inversión mas altos. En muchos casos, ajustar la entrega de aire a la demanda
con el uso de múltiples compresores bajo el control de un sistema moderno de
administración de aire, es la solución mas razonable.
El análisis de demanda de aire desarrollado por KAESER y las herramientas hacer modelos,
conocidas como ADA y KESS, pueden indicar el camino a la respuesta mas económica.
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7.
Utilización de sistemas de recuperación de
calor
7.1
Aplicación
7.2
Recup eración de Calor de Compr esores de
Tornillo
7.3
Utilización de aire de enfriamiento de escape
para calefacción d e espacios
7.3.1
Calor utilizable en el escape de aire de enfriamiento
7.3.2
7.3.3
Posibles
ahorros
mediante
calefacción
de espacios
Ejemplo de
demanda
de energía
calórica
7.4
Calefacción con agua calient e
7.4.1
7.4.2
7.4.3
Recuperación de calor en agua caliente
Ejemplo de instalación
Ahorros totales posibles
7.5
Intercambiadores de calor
7.5.1
Agua caliente disponible mediante la recuperación de calor
del aceite de compresor
Intercambiador de calor con placas
Intercambiador de calor a prueba de fallas
7.5.2
7.5.3
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7 Utili zació n d e Sistemas de Recuperación d e Calor
7.1 Aplicación
Teniendo en cuenta el creciente costo de la energía, su conservación no es sólo una medida
económica drástica sino también una necesidad ecológica. El calor que se recupera de los
compresores de tornillo, en forma de aire o agua caliente, puede ser útil en las siguientes
aplicaciones:
Calefacción de espacios con aire
cálido
Protección contra el congelamiento
Procesos de secado
Alimentación a sistemas de
calefacción central
Calefacción de piletas de natación
Recintos de lavado y duchas
Cantinas y cocinas grandes
Calefacción previa con aire de
quemador
Limpieza de componentes
Agua para lavado en la industria
alimenticia
Apli cacion es p ara el agu a cal ien te
80 °C
51 %
Temperatura inicial para
calefacción del edificio
70 °C
60 °C
29 %
Temperatura inic ial del agua
de radiador
50 °C
Calefacción previa con agua, agua para
procesos, aire de suministro, c alefacción
bajo el suelo
40 °C
14 %
30 °C
Ilustración 2: Sistema de recuperación de calor que utiliza un intercambiador de calor con placas para calentar agua a 70º C
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7 Utili zació n d e Sist emas de Recuperación d e Calor
7.2 Recuperación d e Calor de Compresor es de Tornillo
Los compresores principalmente generan calor. Aunque esta afirmación pueda parecer inverosímil, lo
cierto es que el 100 por ciento del ingreso de energía eléctrica a un compresor se convierte en calor.
La acción de compresión carga el aire del compresor con energía potencial. Esta energía es emitida,
en el momento de la utilización, por el aire comprimido que se expande y extrae calor de las
cercanías.
La mayor proporción de la energía recuperable en forma de calor, un 72%, se encuentra en el aceite
de enfriamiento inyectado del compresor, un 13% en el aire comprimido mismo y hasta un 9% es
emitida por el motor de accionamiento hacia el aire de enfriamiento. En un compresor de tornillo
rotativo enfriado con aceite completamente encapsulado, se pueden recuperar inclusive las pérdidas
del motor eléctrico en forma de aire caliente. Esto eleva la proporción total de energía de entrada
disponible en forma de calor hasta un sorprendente 94%. De la energía restante, 2 por ciento irradia
del compresor y 4 por ciento permanece en el aire comprimido (ver diagrama de flujo de calor).
Energía eléctrica total
consumida 100%
Calor irradiado del
motor de
accionamiento
(disipado en aire de
enfriamiento) 9%
Calor irradiado del
compresor a las
Calor
recuperable
enfriador
de aceitedel
cercanías
72%
Calor recuperable del
post-enfriador de aire
comp. 13%
Calor que
permanece en el
aire comprimido
4%
Calor
total disponible
para
recuperación
94%
Fig. 7-2: Diagrama de flujo de calor
El aire de enfriamiento de escape que se lleva el calor del compresor se puede utilizar en invierno
para calefacción directa de espacios o el aceite de enfriamiento del compresor, que pasa a través del
intercambiador de calor, puede calentar agua (sistema de recuperación de calor PTG de KAESER).
Este sistema también contribuye a ahorrar energía en verano. La ilustración de un compresor de
tornillo con sistema de recuperación de calor muestra el principio.
Con ayuda del diagrama, la tabla y el ejemplo de cálculo, usted puede comprobar cuánta energía se
puede ahorrar en su aplicación mediante la recuperación de calor del compresor y que el costo del
equipo se puede recuperar en una o dos temporadas de calefacción.
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7 Utili zació n d e Sistemas de Recuperación d e Calor
7.3 Utilización de Aire de Enfriamiento de Escape para Calefacción
de Espacios
El método más simple y directo de recuperación de calor generado en un compresor de tornillo
rotativo enfriado con aceite se realiza mediante la utilización directa del aire de enfriamiento que se
lleva el calor del módulo de compresión, el enfriador de aceite, el motor, etc. Este aire calentado se
puede conducir por tubos para ser utilizado en calefacción de espacios en depósitos y talleres, etc. (73).
El aire caliente también se puede utilizar para otras aplicaciones tales como secado, cortinas de aire
caliente y aire de combustión de calefacción previa. Cuando no se necesita el aire calentado, una
aleta o rejilla manual o automática lo descarga fuera del edificio. Las rejillas se pueden regular
termostáticamente para mantener una temperatura constante y fija.
El método de calefacción de espacios permite que se recupere el 94% de consumo de energía
eléctrica de un compresor de tornillo. Y se justifica su utilización, aun en pequeñas unidades, ya que
un compresor
18.5 kW fácilmente puede generar suficiente energía para la calefacción de una
casa
de familiade
típica.
Descarga en
verano
Calefacción
en invierno
Fig. 7-3: Aire de enfriamiento de escape utilizado para calefacción de espacios
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Manual de Aire Comprimido Kaeser
7 Utilización de Sistemas de Recuperación de Calor
7.3.1 Calor Utilizable en Escape de Aire de Enfr iamiento
Modelo
Calor utilizable
Volumen
utilizable
Aument o d e
temp ∆t
Costo de calefacción
ahorrado** [€/a] en
kW
MJ / h
kc al / h
M³ / h
K
2,000 h
4,000 h
SX 3
SX 4
SX 6
SM 8
SM 11
SK 21
SK 24
ASD 32
ASD 37
ASD 47
ASD 57
BSD 62
BSD 72
BSD 81
CSD 82
CSD 102
CSD 122
CSDX 137
2.5
3.5
4.6
6.2
8.4
12.2
14.9
21.5
9
13
17
22
30
44
54
77
2.147
3.006
3.951
5.326
7.216
10.480
12.799
18.468
1,100
1,500
1,500
1,500
1,500
2,500
2,700
3,800
7
7
9
12
17
15
17
17
282
394
518
699
946
1375
1679
2423
563
789
1037
1397
1893
2749
3358
4845
25.4
31.1
35.9
35.5
43.2
53
53
64
79
94
91
112
129
128
155
191
191
230
284
338
21.818
26.715
30.838
30.494
37.108
45.527
45.527
54.976
67.860
80.745
3,800
4,500
5,400
5,700
5,700
5,700
8,000
8,000
9,000
13,000
20
21
20
19
23
28
20
24
26
22
2862
3504
4045
4000
4868
5972
5972
7211
8902
10592
5724
7009
8090
8000
9735
11944
11944
14423
17803
21183
CSDX
162
DSD 141
DSD 171
DSD 201
DSD 241
DSD 281
ESD 251
ESD 301
ESD 351
ESD 361
106
82
98
118
142
171
137
187
227
210
381
295
353
424
511
615
493
673
817
755
91.053
70.437
84.181
101.361
121.977
146.888
117.682
160.632
194.991
180.388
13,000
9,000
14,000
16,000
21,000
21,000
21,000
28,000
28,000
27,000
24
27
21
22
20
24
20
20
24
23
11944
9240
11042
13296
16000
19268
15437
21071
25578
23662
23888
18479
22085
26592
32000
38536
30874
42141
51156
47324
ESD 441
FS 440
GS 580
GS 590
GS 640
GS 650
HS 690
HS 760
244
269
29.7
29.7
33.5
33.5
37.7
42.4
878
968
107
107
121
121
136
153
209.594
231.069
25.512
25.512
28.776
28.776
32.384
36.421
34,000
40,000
10,000
10,000
10,000
10,000
12,000
12,000
22
20
9
9
10
10
9
11
27493
30310
3347
3347
3775
3775
4248
4778
54987
60620
6693
6693
7549
7549
8496
9555
Tab. 7-1:
Ahorro de costos de calefacción por recuperación de calor de escape de aire de enfriamiento
Valores para compresores KAESER con carga máxima
** Valor de calefacción de aceite: 35.5 MJ /l; eficiencia de calefacción: 90 %; precio de aceite:
€0.50 / l
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7 Utili zació n d e Sistemas de Recuperación d e Calor
7.3.2 Ahorros po sibl es de calefacció n de espacios con calor
recuperado
El aire de enfriamiento de escape que se lleva el calor del enfriador de aceite y el postenfriador de aire comprimido del compresor de tornillo se conduce por tubo hacia un recinto
adyacente (por ejemplo, un depósito). Esta fuente de calor alivia la carga al sistema de
calefacción del depósito y así se ahorra aceite.
Ejemplo d e cálculo: c ompresor d e tornillo enfr iado con aire, modelo CSD 82
Potencia de eje de módulo de compresión (8 bar):
Eficiencia de motor:
50.4 kW
0.944
Período
Período de
de calefacción:
carga del módulo de compresión:
Precio del aceite de calefacción:
Valor de calefacción específico del aceite:
125
días
8 horas/día
€0.50 /litro
35.5 MJ /l =9.87 kWh/l (1 MJ =
0.278 kWh)
0.9
Eficiencia de calefacción:
Consumo total de energía:
= Potencia de eje de módulo de compresión
Eficiencia de motor
= 50.4 kW =53.4 kW
0.944
Energía utilizable en aire caliente
=
=
94 % del consumo total de energía (ver diagrama de flujo)
0.94 x 53.4 kW =50.2 kW
Ahor ro :
Energía utilizable x tiempo con carga x precio del aceite de calefacción
Valor de calor del aceite x eficiencia de calefacción
=
50.2 kW x 1000 h x €0.50 /l_
9.87 kWh/l x 0.9
=
€2,825 por 1000 hor as de carga
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7 Utili zació n d e Sistemas de Recuperación d e Calor
7.3.3 Ejemplo de Demanda de Energía Calóri ca
Calefacción de un edificio con 500 m² de área de superficie (Fig. 7-6)
Ejemplo de cálculo: compresor de tornillo enfriado con aire, modelo CSD 82
Consumo anual de energía según WSVO’95:
Temporada de calefacción:
Período de carga del módulo de compresión:
100 kWh / (m² a)
125 días
8 horas / día
Consumo total anual de energía:
500 m² x 100 kWh / (m² y) =50,000 kWh / a
Período de calefacción por día: 50,000 kWh / a
125 días / a
= 400 kWh / día
Energía utilizable del CSD 82: 50.2 kW (ver página 6)
Energía utilizable para calefacción por día: 50.2 kW x 8 horas / día =401.6 kWh / día
Esto significa que los requerimientos anuales de calefacción de un edificio de 500 m² se pueden
cubrir mediante el calor recuperado de un compresor de tornillo CSD 82 simple.
Esto depende del funcionamiento del compresor durante un tiempo determinado y se debe considerar
una reserva.
~
~
~
Volum en = 1,500 m³
3m
50 m
10 m
Fig. 7-6: Calefacción de un edificio con un área de superficie de 500 m² utilizando calor recuperado de un compresor
de tornillo CSD 82
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7 Utili zació n d e Sistemas de Recuperación d e Calor
7.4 Calefacción con Agua Caliente
7.4.1 Recuperación de Calor en Agua Caliente
Se puede recuperar el agua caliente para usos diversos desde un compresor enfriado ya sea con aire
o agua mediante un intercambiador de calor (7-4) instalado en el circuito de aceite de enfriamiento del
módulo de compresión. Se utilizan intercambiadores de calor con placas o a prueba de fallas,
dependiendo de que el agua se utilice para calefacción, lavado o duchas, o con fines de limpieza
comercial o de producción. Se pueden alcanzar temperaturas de agua de hasta un máximo de 70º C.
La experiencia muestra que para compresores con capacidad mayor a 18.5 kW, los costos
adicionales para estos sistemas de recuperación de calor se amortizan en dos años, siempre y
cuando, desde luego, se haga una planificación correcta.
Aire compr imid o
Aceit e
enfriado
Válvula
termostática 1
Mezcla de
aire/aceite
Acei te c alient e
Agua fría
Válvula termostática
2
Intercambiador de calor
de aceite/agua
Agua c alient e
Ac eit e qu e se l lev a el
calor de compresión
Fig. 7-4: Recuperación de calor con un intercambiador de calor con aceite/agua
El calor de compresión que se lleva el aceite de enfriamiento del compresor se emite en el
intercambiador de calor con aceite/agua. La válvula termostática 1 asegura que el aceite no emita
demasiado calor y el compresor se mantenga a una temperatura operativa óptima.
Si la demanda de agua caliente disminuye, el aceite de enfriamiento se desvía a través del enfriador
estándar integrado en el compresor, donde su calor se puede conducir por tubos para la calefacción
de espacios.
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7.4.2 Ejempl o de ins talació n
Compresor de tornillo
enfriado con aire
Filtro de
entrada
Sistema de
recuperación de calor
1
a
ic
t
á
t
s
o
m
r
e
t
Post-enfriador de
aire comprimido
Separador d e
aceite
Ag ua c alient e
a
l
u
lv
á
V
Acei te
caliente
Aceit e fr ío
ío
fr
e
ti
e
c
A
Válvula termostática
Colchón de
aire
a
ír
f
a
u
g
A
Acei te cal ient e
Enfriador de
aceite
Tanque de agua
caliente
Interruptor de
presión para
válvula de
solenoide
Agu a cal ient e
para usuarios
Válvula de solenoide
Suminis tro de agua fría (tratada)
Fig. 7-5: Ejemplo de un sistema de agua caliente que utiliza calor recuperado
Ahor ro s p or rec up erac ión d e calor par a agua cal iente
Ejemplo de cálculo: compresor de tornillo enfriado con aire, modelo CSD 82
Potencia de eje de módulo de compresión (8 bar): 50.4 kW
Eficiencia de motor:
0.944
Período de calefacción:
125 días
Período de carga del módulo de compresión:
8 horas/día
Precio del aceite de calefacción:
€0.50 /litro
Valor de calor específico del aceite:
35.4 MJ /l =9.87 kWh/l (1 MJ =0.278 kWh)
Eficiencia de calefacción:
0.9
Consumo total de energía: =Potencia de eje de módulo de compresión Eficiencia de motor
=50.4 kW =53.4 kW
0.944
Energía
utiliconsumo
zable para
calefacción
industr
= 72 % del
total
de energía de
(veragua
diagrama
deial:
flujo)
= 0.72 x 53.3 kW = 38.3 kW
Ahor ro :
Energía utilizable x tiempo con carga x precio del aceite de calefacción
Valor de calor del aceite x eficiencia de calefacción
= 38.3 kW x 1000 h x 0.50 €/l
9.87 kWh/l x 0.9
= €2,155 por 1000 hor as de carg a
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7 Util ización de Sist emas de Recuperación d e Calor
7.4.3 Ahorros totales posibles
Cálculo del volumen por hora de agua industrial que se puede calentar de 20 °C a 50 °C
utilizando la ecuación calorífica: Q = m x c x Δt donde:
Q
m
cagua
Δt
=Capacidad de calor (energía utilizable)
=Caudal de masa
= Capacidad de calor específica
=Diferencial de temperatura
Tomando, por ejemplo:
Q
=38.3 kW
=4.18 kJ /(kg K)
Δt
=30 K
1 kW =3600 kJ /h
Cagua
If Q
=m x c x Δ t
Así m =
Q
c xΔ t
= 1099 kg/h
38.3 kW
4.18 kJ /(kg k) x 30 K
=
x 3600 kJ /H
kW
1.1 m³/h agua calient e ind ust rial
Cálculo de los ahorros de la energía restante que se encuentra disponible para calefacción
de espacios.
El calor disponible del motor de accionamiento y el post-enfriador de aire comprimido = 22 %
del consumo total de energía (ver diagrama de flujo de calor).
Energía restante para calefacción de espacios:
0.22 x 53.3 kW = 11.7 kW
Ahor ro :
Energía utilizable x tiempo con carga x precio del aceite de calefacción
Valor de calor del aceite x eficiencia de calefacción
=
11.7 kW x 1000 h x €0.50 /l
9.87 kWh/l x 0.9
=
€658 por 1000 horas de carga
Cálculo de ahorro con calefacción de agua industrial y calefacción de espacios:
Ahor ro s t ot ales
€2155
€658
(agua caliente industrial)
(calefacción de espacios)
€2,813 por 1000 ho ras de c arga
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7.5 Intercambiadores d e Calor
7.5.1 Agua caliente disponible mediante recuperación de calor del aceite
del compresor
Modelo
Potencia de
motor
Calor máximo disponib le
Volumen de
agua
t Aus = 70 °C
Ahorro s *** [ €/y]
∆t = 55K
kW
kW
MJ / h
kcal / h
m³ / h
En 2,000 h
ASD 32
ASD 37
ASD 47
ASD 57
18.5
22
25
30
16.4
19.3
23.9
27.6
59
69
86
99
14,087
16,579
20,530
23,708
0.26
0.30
0.37
0.43
1848
2175
2693
3110
BSD 62
BSD 72
BSD 81
CSD 82
CSD 102
CSD 122
CSDX 137
CSDX 162
DSD 141
DSD 171
DSD 201
30
37
45
45
55
75
75
90
75
90
110
27.0
33.3
40.8
40.8
49.4
62
73
84
65
78
93
97
120
147
147
178
223
263
302
234
281
335
23,193
28,604
35,047
35,047
42,434
53,258
62,706
72,155
55,835
67,001
79,886
0.42
0.52
0.64
0.64
0.77
0.97
1.14
1.32
1.02
1.22
1.46
3042
3752
4597
4597
5566
6986
8225
9465
7324
8789
10479
DSD
DSD 241
281
ESD 251
ESD 301
ESD 351
ESD 361
ESD 441
FS 440
GS 580
GS 590
GS 640
GS 650
HS 690
HS 760
132
160
132
160
200
200
250
250
315
315
355
114
138
110
146
180
169
197
209
263
263
296
410
496
396
525
647
608
709
752
946
946
1,065
97,925
118,541
94,489
125,413
154,619
145,170
169,222
179,529
225,915
225,915
254,262
1.79
2.16
1.72
2.29
2.82
2.65
3.08
3.27
4.12
4.12
4.64
12845
15549
12395
16451
20282
19042
22197
23550
29634
29634
33352
355
400
450
296
334
376
1,065
1,201
1,353
254,262
286,904
322,981
4.64
5.23
5.89
33352
37634
42367
Tabla 7-2:
Costos de calefacción ahorrados or recu eración de calor del aceite de com resor en forma de a ua caliente
Valores para compresores KAESER con carga completa.
*** Valor de guía calculado, desviaciones debidas a condiciones de instalaciones posibles.
Valor de calefacción de aceite de calefacción: 35.5 MJ /l; eficiencia de calefacción: 90 %;
precio del aceite de calefacción: €0.50 /l
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7 Utilización de Sistemas de Recuperación de Calor
7.5.2 Intercambiador de calor con placas
El intercambiador de calor con placas está hecho con placas prensadas de acero inoxidable
resistentes al ácido (hasta 200 según el modelo) soldadas en un horno de vacío con 99.9 %
de soldadura de cobre puro. La turbulencia que se crea por la forma de las placas da como
resultado una excelente transferencia de calor. Cada placa está ubicada a 180 grados de la
siguiente, creando puntos máximos de contacto en toda la superficie de transferencia.
Las placas pueden alcanzar 80º C, por lo tanto se aísla el intercambiador para evitar
lesiones por quemaduras. Se puede calentar el agua a 70º C para fines industriales y el
intercambiador se puede instalar en una planta existente.
Apli cac io nes
Planta de lavado
Industria
química y farmacéutica
Galvanización
Limpieza de materiales
è
No apto para agua potable.
Entrada de
aceite
Salida de agua
Salida de
Entrada de agua
aceite
Fig. 7-7: Intercambiador de calor con placas
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7 Util ización de Sist emas de Recuperación d e Calor
7.5.3 Intercambiador de calor a prueba de fallas
El intercambiador de calor a prueba de fallas es una variante del intercambiador de tubos
múltiples. El tubo que lleva el agua que se ha de calentar se ubica dentro de otro tubo y el
espacio entre ellos está cubierto por un fluido inocuo de transferencia de calor. Los tubos
están rodeados por la envoltura, a través de la cual fluye el aceite caliente de compresor. Si
alguno de los tubos se rompiera, por corrosión o daño mecánico, no existe posibilidad
alguna de que el aceite y el agua se mezclen. En cambio, la presión del fluido de
transferencia de calor aumentará y será detectada por el monitor de presión, que puede
enviar una señal de alarma o desactivar el compresor.
Con este dispositivo, el agua se puede calentar a unos 70º C.
Si no hay demanda de agua caliente, el aceite de compresor se desvía hacia el enfriador
interno de la máquina de modo que siempre se asegure la temperatura máxima de la
máquina. El intercambiador a prueba de fallas resulta esencial donde el agua caliente debe
retener
su calidad de potable y se debe descartar cualquier posibilidad de contaminación
con aceite.
Apli cac io nes
Procesamiento de alimentos
Calentamiento de agua potable
Industria química y farmacéutica
Cantinas y cocinas grandes
Baños y duchas
Tanque de cabecera
Monitor de presión
Fluido de transferencia de
calor
Salida de
agua
Entrada de
agua
Salida de compresor
de aceite
Entrada de aceite de
compresor
Fig. 7-8 Intercambiador de calor a prueba de
fallas serie SWT
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8.
Estudi o Econó mico
8.1
Reparto de costos
8.1.1 Amortización de la deuda
8.1.2 Costo del consumo eléctrico.
8.1.3 Costo de mantenimiento.
8.2
Configuración eficiente del compresor
8.2.1 Reparto de la potencia en el compresor.
8.2.2 Caudal entregado y estandarización.
8.2.3 Comparación entre compresores de tornillo y
turbocompresores.
8.2.4 Comparación entre compresores lubricados por aceite y
libres de aceite.
8.2.5 Comparación entre costes de refrigeración por agua y por
aire.
8.2.6 Impulsión optimizada.
8.3
Cálculos económicos
8.3.1 Costos energéticos.
8.3.2 Cálculo económico total.
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8. Estudio Económico
8.1 Reparto de costos
Reparto de costos de una estación de aire comprimido eficiente
g
n
i
n
i
a
rt
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a
g
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m
m
o
C
Costo energético:
Periodo:
% Interés:
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I
€ 0.08 /kWh
5 años
6%
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c
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o
l
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d
o
m
m
u
s
n
o
C
Presión de trabajo:
7.5 bar
Refrigeración por aire
Calidad del aire comprimido (ISO 8573-1): Aceite
4,000 horas/año, caudal: 20 m³/min
Partículas
Agua
1
1
4
Fig. 8-1: Reparto de costos de una estación de aire comprimido eficiente
8.1.1 Amortización de la deuda
Definición
La deuda es amortizada por pagos regulares de interés más una parte de la suma principal,
y una deuda en la que los pagos regulares no cambian, por la disminución del interés de la
suma que queda por pagar y siendo igualada por un incremento de la suma principal, se
llama anualidad
Es muy útil calcular el desembolso sobre el periodo normal de liquidación, de cinco años,
usando el interés actual. Los costos de inversión juegan un papel secundario en el total de
los costos de producción de aire comprimido, tal y como se muestra en el recuadro fig. 8-1.
Es recomendable el volcarse en una estación de aire comprimido de alta calidad, incluso si
la inversión es más alta, ya que cualquier ahorro en la inversión de la estación es
sobrepasada con creces por los costos de mantenimiento y, sobre todo, de consumo.
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8. Estudio Económico
8.1.2 Costo del consum o eléctr ico
Al contrario que la inversión inicial, el costo energético representa una parte sustancial (7090%) de los costos totales de la producción de aire comprimido, dependiendo del periodo de
funcionamiento de la estación. Es el factor más alto en el costo de producción de aire
comprimido (ver fig. 8-2).
Gran consumidor
Consumidor
medio
Pequeño
consumidor
5
5
7
1,872 kW
467.2 kW
105.3 kW
10,784,236 kWh
2,177,136 kWh
174,052 kWh
5,761
4,660
1,653
año
5) Precio del consumo (kWh)
€0.057
€0.0586
€0.0683
6) Pago nivel de uso (kWh)
€0.0184
€0.0216
€0.0761
7) EEG (kWh)
€0.0062
€0.0062
€0.0062
8) KWKG (kWh)
€0.0005
€0.0006
€0.0021
9) Impuestos (kWh)
€0.0123
€0.0124
€0.0135
10) Pago concesión (kWh)
€0.0011
€0.0011
€0.0011
11) Preci o total / kWh
€0.0955
€0.1005
€0.1673
1) Nivel de uso
2) Pico de carga
3) Consumo anual
4) Horas de funcionamiento al
Fig. 8-1: Detalle del costo eléctrico en 10/2005 (en Alemania)
Explicación
1) Nivel 5 =Consumidor de media tensión.
Nivel 7 = Consumidor de baja tensión.
2) La más alta de las cargas medias medidas en un periodo de 15 minutos en un año
fiscal.
3) Consumo total anual.
4) Horas de funcionamiento al año =consumo total anual / pico de carga
5) El precio depende de la curva de consumo específico del cliente, basado en el precio
de mercado de 23. 06. 2005: Base Cal06 =€43.14 /kWh, Pico Cal06 =€60.70 /kWh.
6) Calculado según la compañía suministradora y el nivel de uso.
7) Ley de energías renovables; precio basado en el segundo trimestre de 2005.
8) Extra por el mantenimiento, modernización y ampliación de la potencia; precio base de
01.01.2005: hasta 100,000 kWh = €0.00334, por encima de 100,000 kWh = €0.0005.
9) El impuesto reducido por uso industrial es: hasta 25,000 kWh =€0.0205; por encima de
25,000 kWh = €0.0123 per kWh.
10) El pago de los derechos de establecimiento de la compañía sumistradora a las
autoridades.
11) Total más el IVA (16 %, hasta final de 2006)
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8. Estudio Econ ómic o
Base
Precio electricidad: €0.08 – €0.12 /kWh
Periodo de depreciación: 5 años
Interés: 6 %
78-87 %
76-84 %
65-73 %
25-33 %
13,5-21 %
Costo energético
10,3-18 %
2%
2,5 %
2,7 %
%
Inversión
Costos de mantenimiento
Fig. 8-2: Resumen de los costos
de aire comprimido para 1, 2 y 3
turnos de trabajo.
8.1.3 Costo de Mantenimi ento
En la Fig. 8-3 se muestra el costo de mantenimiento de los diferentes tipos de compresor
dependiendo de su capacidad y por un periodo de funcionamiento de 10 años. Los datos
están basados en la experiencia de cada fabricante.
300
250
r
o
p
o
i
d .s 200
e o
mr
u
to E
n n
e
i e
150
im o
n d
i
e
t c
n u
Compresor
por aceite. de tornillo no lubricado
a
d
m ro
100
e p
d in
e
m
t /³
s
o m
C 1
Turbo
50
Compresor de tornillo lubricado por
aceite.
0
10
50
90
Caudal en m³/min
Fig. 8-3: Comparación de los costos medios de mantenimiento anual de los diferentes tipos de
compresor basada en 2.000 h de trabajo al año, en 10 años.
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8. Estudio Económico
Mantenimiento llevado a cabo por técnicos entrenados por el fabricante.
Ventajas
Explicación
Costos energéticos bajo control.
Eliminación de fugas, pérdidas de presión y
una innecesaria operación en vacío.
Los costos energéticos suponen más del
75 % del total de aire comprimido producido.
Seguridad jurídica en toda la
documentación del servicio.
Controles de seguridad llevados a cabo
regularmente para asegurar que las cláusulas
del seguro no están comprometidas.
La estación de aire comprimido debe de ser
inspeccionada
cada año por un experto
autorizado.
Cambios en las leyes de seguridad e
higiene en el trabajo, acarrean más
responsabilidad para el usuario.
Los técnicos oficiales Kaeser están
plenamente cualificados y autorizados.
El personal de Kaeser está autorizado para
inspeccionar depósitos de presión y
comprobar posibles pérdidas en los circuitos
de refrigeración.
Protección del medio ambiente según
ISO 14001.
Reducción de las emisiones de CO².
Se desecha correctamente el aceite usado,
materiales en contacto con el aceite y los
condensados.
Introducción de los avances
tecnológicos.
Las innovaciones son rápidamente dadas a
conocer a nuestro departamento de servicio
técnico, asegurando una planta optimizada
para el usuario.
Una estación de aire comprimido, no es un
conjunto
dispositivos
individuales
sino la
unión de de
energía,
seguridad
y calidad.
Tabla 8-2: Ventajas de nuestro
servicio técnico
Fig. 8-4: Servicio técnico
Kaeser
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8. Estudio Económico
8.2 Configu ración efici ente del compresor
8.2.1 Reparto de la potencia en el compresor
El rendimiento de un compresor no recae únicamente en el caudal entregado, la potencia
necesitada para producir ese caudal es muy importante. La falta de unificación y claridad en
la terminología respecto a la medición de la potencia dificulta la realización de comparativas.
En la Fig. 8-5 se muestran algunas definiciones.
Consumo eléctrico del moto-ventilador, si
se encuentra separado.
Consumo Eléctrico
total
Potencia del motor:
La potencia mecánica en el eje del motor ,
en kW, que el motor es capaz de dar al
100% de la carga sin problemas. Se
encuentra en la placa de características
del motor.
Pérdidas internas
producidas por el
rendimiento del
motor.
Potencia del motor: La
potencia mecánica,
en kW, que el motor
puede entregar en el
eje.
por el ventilador de
= Pérdida
refrigeración, si está montado
+
Motores con IP-54 son
más eficientes que
motores con IP-23.
Una buena
La potencia entregada por el
refrigeración significa
motor no debe sobrepasar
una baja temperatura
mucho la potencia nominal,
de salida del aire
ya que se perdería la reserva
comprimido.
que
poseen los
motores
con
aislamiento
clase
F.
+
Pérdidas en la transmisión por
el uso de correas o
engranajes.
Las pérdidas en la transmisión por
correas y engranajes, son
prácticamente las mismas. No hay
pérdidas en acoplamiento directo..
Potencia en el eje del
bloque compresor; la
potencia requerida para
mover el bloque.
Valor puramente teórico.
Fig. 8-5: Reparto de potencias en el compresor
Si además se incluye en la máquina un motor ventilador y una bomba de aceite, también
deben de considerarse a la hora de calcular la potencia. Para el usuario es, además,
interesante el comparar la potencia del motor con la potencia nominal, para identificar
posibles sobrecargas.
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8. Estudio Económico
8.2.2 Caudal entregado y estandarización
Rendimiento
del motor
Caudal
DIN
Potencia del
motor
kWh
ISO ...
Fig 8-6: Schwieriger Vergleich von Angaben der Kompressorenhersteller
El caudal efectivo (V1) no es el caudal entregado por el compresor, es el caudal efectivo
medido respecto a las condiciones de entrada.
Fig. 8-7: Medición caudal
Temperatura de entrada T1
Presión de
salida p2
Caudal
entregado V2
Presión a la entrada p1
Humedad Relativa F rel 1
Temperatura de
salida T2
V2 x p 2 x T1
V1 =
T2 x p 1
Usando esta conversión es más fácil contrastar el consumo total de la red de aire
comprimido a varias presiones con el caudal entregado por el compresor.
En la máquina que está sometida a medición, es de gran importancia conocer la presión de
salida del bloque compresor, así como las condiciones a las que el caudal es referido y
diversas condiciones de la medición.
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8. Estudio Económico
8.2.3 Comparación entre compresores de tor nill o y
turbocompresores.
Normalmente es complicado comparar compresores grandes, capaces de entregar más de
50 m³/min, pero un método es comparar su potencia específica, como muestra el siguiente
gráfico.
Compresor de torn illo k W /(m³/min)
Turbocomp resor k W /(m³/min)
Caudal estándar m³/min
Flujo de masa kg/min
9,5
160
140
9
120
8,5
100
8
80 kg/min
kW /(m³/min)
7,5
60 m³/min
40
7
20
6,5
0
10-10
0
8
15
25
35
Ansaugte mper
°C
Temperatura
deatur
entrada
°C
Comparación
El caudal puede estar expresado respecto a las condiciones estándar o al flujo de masa. La
potencia específica está referida al caudal en condiciones estándar a diferentes
temperaturas de entrada. La temperatura media anual en Europa es algo menor de 10 ºC,
en cuyo caso, el compresor de tornillo presenta una mejor potencia específica.
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8. Estudio Económico
8.2.4 Comparación entre compr esores lubr icados por aceite y libres
de aceite.
A la hora de elegir un compresor, suele plantearse la disyuntiva entre un compresor
lubricado por aceite y un compresor libre de aceite, el siguiente gráfico muestra la
comparativa entre la potencia específica de los dos tipos de compresores, usando motores
en el rango de potencias entre 2,2 y 355 kW. El mantenimiento y los costes energéticos
también tienen que tenerse en cuenta cuando se deba tomarse la decisión.
8
Compresores
libres de aceite
7
)
n
i
m
/³
m
(
/
W
k
n
e
a
c
if
í
c
e
p
s
e
a
i
c
n
e
t
o
P
6
5
Compresores lubricados por aceite
4
3
2
1
0
2.2
4
7.5
11
18,5
30
45
75
110
160
250
355
Potencia del motor en kW
Fig. 8-11: Potencia específica de compresores lubricados por aceite y libres de aceite a 7 bar.
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8. Estudio Económico
8.2.5 Comparación entre costo s de refrigeración p or agua y por
aire.
El método de refrigeración del compresor juega un papel muy importante en la economía del
la producción del aire comprimido. Como se puede observar en el siguiente gráfico, la
refrigeración por aire acarrea un menor costo.
Costos de refrigeración
12000
10000
8000
6000
4000
€ p.a.2000
0
110
Agua
Aire
132
160
200
250
Potencia del motor (kW)
Fig. 8-12: Costes de refrigeración por agua y aire.
Valores t omados
Costos del agua:
€0,20 /m³ 1)
Costos energéticos: €0,08 /kW 2)
Horas de marcha:
4,000 p.a.
Instalación
Refrigerada por aire con canalizaciones para la entrada y salida del aire o refrigerada por
agua con conexión al circuito de refrigeración. Las máquinas refrigeradas por agua también
necesitan refrigeración por aire.
1)
Incluyendo costos de funcionamiento de las bombas de agua, torre de refrigeración,
tratamiento de agua, y rellenado de agua.
2)
Para el/los motor ventilador(es)
Compresores refrigerados por aire
Compresores refrigerados por agua
Es muy importante que el motor ventilador
sea lo suficientemente potente para la
extracción y con suficiente empuje para
vencer la resistencia de una posible
canalización de salida.
Los radiadores para el aceite y el aire
comprimido son refrigerados por agua. En
algunos casos un motor ventilador es
instalado para evacuar el calor del interior
de la máquina.
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8. Estudio Económico
8.2.6 Impulsión opti mizada
Motores EPACT
Un reciente desarrollo en la reducción de los costos energéticos, en los modernos
compresores de tornillo, ha sido la incorporación de motores EPACT. Todo empezó en
Estados Unidos, en los años 70, para reducir el consumo de los motores asíncronos
trifásicos; con la estipulación, en 1975, de unos mínimos requerimientos de eficiencia, que
culminaron en la Política de la Conservación Energética, “Energy Conservation Policy Act“
(EPACT) en 1992. Esto se hizo efectivo a partir de 1997 y los estrictos requerimientos que
impuso fueron adoptados por Kaeser como especificaciones estándar el siguiente año.
Mientras tanto, la clasificación de motores EPACT respecto al rendimiento y el consumo ha
sido adoptada en Europa bajo la etiqueta EFF1, dando muchas ventajas al funcionamiento
de los compresores.
1. Funcionamiento a más bajas temperaturas
El motor del compresor entrega potencia a través de su eje y es tomada por el bloque
compresor para comprimir aire, en este proceso se produce un calentamiento de ciertos
componentes y fricción en los
rodamientos
del
motor,
Insulation class F
representando perdidas internas.
Estas pérdidas pueden ser de
Insulation class B
hasta el 20 % en pequeños
motores y del 4-5 % en motores de
más de 160 kW. La nueva gama de
motores EPACT y EFF1 producen
mucho menos calor y por lo tanto
menores
pérdidas.
Un motor
convencional
con aislamiento
clase
F funciona a una temperatura de
unos 80 ºC, con una reserva de 25
e
r
tu
K. Sin embargo, los nuevos
ra
e
p
motores de alto rendimiento
m
e
t
trabajando
en
las
mismas
power
condiciones trabajaría a una
temperatura de unos 65 ºC,
aumentando la reserva a 40 K. (Fig. 8-13).
Fig. 8-13: Calentamiento de los bobinados
2. Una vida más l arga
Menores temperaturas de funcionamiento, implican menos estrés térmico en el motor, con lo
que los rodamientos y los terminales ven alargada su vida operativa
Ejemplo de
reducción de costos
energéticos
Motor Estandar
Motor EPACT
Potencia
15 kW
15 kW
Rendimiento
85 %
89 %
Pérdidas de potencia
2.25 kW
1.65 kW
Ahorro
600 W
Ahorro
energético
anual
(8,670 h;
€0.08 /kWh)
€416.16
Tabla. 8-4: Ahorro energético con motores EPACT
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Nuevos
Anteriores
%
o
t
n
e
i
m
i
d
n
e
R
0
Potencia del motor en %
100 105 - 110
Fig. 8-14: Desarrollo de los motores eléctricos hasta los EPACT
Operación del bloque compresor de un com presor de tornill o.
La potencia específica de un compresor de tornillo viene dada por la relación entre el caudal
y la potencia consumida. La figura Fig. 8-15 ilustra que la utilización óptima de un bloque
compresor se alcanza a una determinada presión y velocidad.
Curva de la potencia específica de un bloque compresor a 7 bar según velocidad y caudal.
Potencia específica
kW min
m³
7.0
Bloque compresor
6.5
6.0
5.5
Punto de operación optimo
0
500
1000
1500
2000
2500
9
14
19
24
3000
rpm-1
Velocidad
m³/min Caudal (FAD)
Fig. 8-15: Potencia específica de un bloque compresor
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8. Estudio Económico
Acop lam ien to di rec to ent re m ot or y b lo qu e co mpres or .
En la fabricación actual de compresores de más de
18,5 kW y en el rango de presión entre 5,5 y 15 bar
se utiliza el acoplamiento directo entre el motor y el
bloque compresor, con el objetivo de trabajar en la
zona de mejor potencia específica.
Esto significa que el bloque y el motor giran a la
misma velocidad sin perdidas en la transmisión.
Fig. 8-16: Acoplamiento directo
Es más, los bloques compresor que trabajan a relativamente bajas velocidades, como 3000,
1500 o 1000 rpm tienen un duración más larga, así como los motores a los que están
acoplados
Uso de los bloqu es en el punto óp timo de operación
Potencia específica
kW min
m³
7.0
Bloque 1
6.5
6.0
Bloque 2
Bloque 3
Bloque 4
5.5
Puntos de operación de cada bloque
14
18
23
30
m³/min Caudal (FAD)
Fig. 8-17: Potencia específica de diferentes bloques compresor a 7 bar y 1500 rpm.
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8. Estudio Económico
Los más avanzados fabricantes de compresores son capaces de hacer bloques de baja
velocidad para cada gama de compresor, y hacerlos trabajar en sus zonas de operación
optima. Estos tienen grandes ventajas sobre la mayoría de los compresores del mercado
que usan bloques de alta velocidad y transmisión por correas o engranajes (Fig. 8-18).
Como el consumo de energía representa entre 70-80 % del total de los costos de producción
de aire comprimido, esto conlleva a un ahorro considerable por parte del usuario.
Bloque de pequeño tamaño => mayor velocidad => mayor potencia específica => menor
duración => menor inversión => mayor costo en el total de la producción de aire comprimido.
La tecnología disponible puede reducir los costos energéticos considerablemente.
(ver Fig. 8-19).
Costo energético (%)
Zonas de uso de los bloques
Potencia
específica
kW min
m³
7.0
Bloque más pequeño
Bloque más grande
Bloque 2
Bloque 1
6.,5
6.0
rea de uso más
frecuente*
Punto de operación óptimo
5.5
Zona óptima de uso*
Caudal m³/min
Fig. 8-18 Zona de uso de los compresores de tornillo
100
ca. 6%
90
ca. 4,5%
Minimizar el consumo de aire minimizando
las fugas reduciendo la presión. Se puede
reducir la presión hasta 1 bar con el uso de
un controlador.
ca. 10%
80
Ahorro energético
potencial por el uso de
un controlador del
compresor moderno
Mejor utilización mediante el uso de
un controlador moderno basado en
un PC industrial.
ca. 10%
Por el uso de modernos
bloques, transmisión
eficiente y motores EPACT.
70
60
Fig. 8-19: Ahorro energético mediante un sistema óptimo.
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Ahorro potencial
15
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8. Estudio Económico
8.3 Cálculo s económicos
8.3.1 Costos energéticos
Para un cálculo simple de los costes energéticos a plena carga se puede usar la
siguiente fórmula.
ENTRADA
FORMULA
CÁLCULOS
Potencia nominal
Motor.
Potencia nominal:
A la máxima presión (g)
Rendimiento:
0.
kW
kW x
kW
Rendimiento
+
+
=
0.
Pot. Nomin. Motor ventilador x No. unidades
0.
Motor v entilador (si está instalado)
Rendimiento motor ventilador
No. unidades:
Potencia nominal:
Rendimiento:
kW
FAD del bloque compresor
Según ISO 1217: 1996 Anexo B
Teórico
Potencia consumida total
kW
FAD de la unidad completa
m³/min
FAD de la máquina comp leta?
Según: ISO 1217: 1996 Anexo C
a la máxima presión (g)
Practico
Consumo eléctrico total
0.
¿Que caudal conocemos ?
kW
=
= Potencia cons umida total
m³/min
Potencia
específica
máxima presión
(g) a la
m³/min
Consumo de aire:
Horas de trabajo anuales:
(1, 2 o 3 turnos)
kW/(m³/min)
=
= Potencia específica
m³/min
h/a
Potencia
Específica
Horas de
Trabajo
Anuales
Consumo de
x aire
x
x
kW/(m³/min)
x
x
h/a
Costo
Eléctrico
Precio del kWh.
=
€/kWh
x
m³/min
= Costo energético anual
€/kWh
€/año
Costo energético
En estos cáculos no se ha tenido en cuenta el consumo de los compresores en el caso de trabajar en
vacío.
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8. Estudio Econ ómic o
8.3.2 Cálculo económ ico total
Consumo de aire
Horas de trabajo
1,000 m³/año
Horas / año
Interés
Periodo de depreciación
Costo energía eléctrica
Costos agua de refrigeración
Costos de aceite
Cálculo de costos de mantenimiento
Cálculo de costos de aceite
%
años
Euro / kWh
Euro / m³
Euro / litre
Si / No
Si / No
Modelo de compresor
Fabricante
Fabricante del bloque
Modelo de bloque
Tipo de bloque
"2=
"=Lubricado
por aceite;
1=Libre
de aceite;
pistón;3=Turbo;
4=Rotativo;
5=DkB
Nº máquinas trabajando de base
Nº máquinas cubriendo los picos
" "=refrig. por aire; 1=refrig. por agua
Refrigerante
Extractor separado
Presión máxima de trabajo
Presión mínima de trabajo
Caudal a la máxima presión
Velocidad del bloque, 1º etapa
Velocidad del bloque, 2º etapa
Potencia del motor
Velocidad del motor
Carga del motor a la máxima presión
Potencia entregada del motor a máxima presión
Rendimiento del motor
Si / No
bar
bar
m³ / min
rpm
rpm-1
kW
rpm
%
kW
%
Empuje residual del extractor
Rendimiento del motor del extractor
Consumo eléctrico a máxima presión
1,800
6,000
Días de trabajo:
6
5
0.08
0.25
0.00
Caudal:
250
5.00 m³/min
0.00
0.00
0.00
0.00
No
No
Compresor 1 Compresor 2 Compresor 3 Compresor 4
Compresor 5
BSD 72
A
KAESE R
KAESE R
SIGMA
Lubricado por
aceite
Competidor A Competidor B Competidor C
Competidor A Competidor B Competidor C
B
Competidor D
Competidor D
Lubricado por Lubricado por Lubricado por
aceite
aceite
aceite
Lubricado por
aceite
0
1
Aire
Si
0
1
1
Agua
Si
C
0
1
1
Agua
Si
D
0
1
Aire
Si
0
1
Aire
Si
8
0,0
6.98
2,960
0
37
2,960
111.76
41.35
94.00
8
0,0
6.60
3,467
0
37
2,960
114.32
42.30
92.50
8
0,0
6.00
6,270
0
37
3,000
103.35
38.24
92.50
8
0,0
5.76
6,101
0
37
3,000
100.81
37.30
90.00
8
0,0
5.70
2,965
0
37
2,965
91.35
33.80
92.20
kW
%
kW
0.70
71.0
44.98
0.08
77.00
45.83
0.12
76.00
41.50
1.10
70.00
43.02
1.10
70.00
38.23
Potencia específica
Potencia del motor en vacío
Rendimiento del motor
Consumo eléctrico en vacío
Proporción tiempo en paro respecto a vacío
Agua de refrigeración
kW / m³ / min
kW
%
kW
%
m³ / h
6,443
8.70
89.00
10.76
90
0.0
6,944
8.20
89.00
9.31
90
2.3
6,916
8.80
88.00
10.16
90
2.0
7,468
8.60
80.00
12.32
90
0.0
6,707
8.00
88.00
10.66
90
0.0
Carga de aceite
Intervalo cambio de aceite
Tiempo de la máquina trabajando de base
Tiempo de la máquina cubriendo picos
Tiempo en vacío
Tiempo en paro
Precio de compra
Costo del capital
Costo del aceite
Costos de mantenimiento
Costos del agua de refrigeración
Costos energéticos a plena carga
Costos energéticos en vacío
l
h
h
h
h
h
Euro
Euro / Año
Euro / Año
Euro / Año
Euro / Año
Euro / Año
Euro / Año
26.0
0
0.0
4,298.0
170.2
1,531.8
22,510
5,312
0
0
0
15,464
147
17.9
0
0.0
4,545.5
145.5
1,309.1
23,250
5,487
0
0
2,744
16,664
108
25
0
0.0
5,000.0
100.0
900.0
23,180
5,470
0
0
2,563
16,599
81
25
0
0.0
5,208.3
79.2
712.5
27,200
6,419
0
0
0
17,923
78
25
0
0.0
5,263.2
73.7
663.2
23,040
5,437
0
0
0
16,097
63
Costos totales
Costo de la unidad de aire comprimido
Costo extra comparando el Compresor 1
Euro / Año
Cent / m³
Euro / Año
20,923
1.162
0
25,004
1.389
4.081
24,714
1.373
3.791
24,421
1.357
3.497
21,597
1.200
674
Tabla. 8-5:
Ejemplo de cálculo económico (Extraído de un programa de cálculo Kaeser)
Seminario de Aire Comprimido KAESE R
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Manual de Aire Comprimido Kaeser
8. Estudio Económico
Puntualizaciones en el cálculo económico.
Formulas y tablas de los cos tes de amortización
Amortización [€/año]
=
Precio de la máquina x Factor de la anualidad
i (1 +i) n
Factor de la anualidad =
n =
i =
(1 + i) n - 1
Tiempo de depreciación en años
interés en %
Tabla de factores de la anualidad
(Equivalente a la amortización por Euro del precio de la máquina)
Interes / años
7%
8%
9%
10%
11%
12%
13%
14%
5
6
7
8
9
10
11
12
13
0,244
0,250
0,257
0,264
0,271
0,277
0,284
0,291
0,210
0,216
0,223
0,230
0,236
0,243
0,250
0,257
0,186
0,192
0,199
0,205
0,212
0,219
0,226
0,233
0,167
0,174
0,181
0,187
0,194
0,201
0,208
0,216
0,153
0,160
0,167
0,174
0,181
0,188
0,195
0,202
0,142
0,149
0,156
0,163
0,170
0,177
0,184
0,192
0,133
0,140
0,147
0,154
0,161
0,168
0,176
0,183
0,126
0,133
0,140
0,147
0,154
0,161
0,169
0,177
0,120
0,127
0,134
0,141
0,148
0,156
0,163
0,171
Tabla 8-6:
Factores anualidad
Guía de valores de costo s de mantenimiento anuales como % del costo energético
Tipo compresor
Valor
porcentual
Tabla 8-7:
Tornillo
lubricado por
aceite
Tornillo libre
de aceite
3
6
Pistó n
10
Turbo
5
Paletas
6
Guía costos de mantenimiento
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9.
Planificando una Estación de
Compresores
9.1
Estableciendo la Presión de trabajo
9.2
9.2.1
9.2.2
9.2.3
9.2.4
9.2.5
9.2.6
9.2.7
9.2.8
9.2.9
Determinando la Demanda de Aire
Consumo de aire de chorros libres con boquillas
Consumo de herramientas Neumáticas
Consumo de aire de cilindros neumáticos
Volumen de aire en tuberías de aire comprimido
Determinando la demanda con utilización y concurrencia
Planificando una Estación de Compresores Pequeña
Seleccionando tipo y tamaño de compresor
Tiempo del compresor funcionando y en paro
Dimensionando tanques de almacenamiento
9.3
Planificando una estación de compresores
Grande
9.3.1
9.3.2
9.3.3
9.3.4
ADA y KESS
Diagramas
de disposición de la estación de compresores
Ventilando el cuarto de compresores
Ejemplos de diagramas de disposición de estaciones de
Compresores
9.4
SIGMA AIR UTILITY
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9. Planificando una Estación de Compresores
El análisis cuidadoso de la demanda de aire comprimido debería ser la base para planificar
una estación de compresores. El punto de i nicio puede s er un análisis detallado del
desempeño de la planta o, si se empieza de cero, listar cuidadosamente por un especialista
de
componentes
de todas
las demandas
a ser
requeridasypor
la nueva estación.
plano
de el
lugar en donde
se instalará
la estación
es necesario
un diagrama
general deUnflujo
de
tal manera que los datos básicos pueden ser establecidos y la ubicación de puntos de
medición para diagnosis subsecuentes sea determinada. Un diagrama general de
disposición del sistema de suministro de aire y cualquier información relevante de
condiciones de operación también serán necesarios.
9.1 Estableciendo la Presión de Trabajo
La presión de trabajo requerida de cada uno de los consumidores puede ser establecida
usualmente según las especificaciones del fabricante marcadas en los equipos. De mayor
significado es la presión de trabajo mínima especificada y a esta deben ser sumadas las
perdidas de presión que se esperan en el sistema por la tubería de distribución y los
dispositivos de tratamiento de aire como secadores y filtros. Esta presión debe ser
garantizada en l a salida del tanque de almacenamiento para asegurar, incluso bajo
circunstancias desfavorables, los consumidores de aire siempre reciban el suministro que
necesitan. La presión máxima del compresor es determinada entonces sumando el
diferencial de control.
La grafica da alguna idea de las presiones de trabajo requerida por varios consumidores.
Apilador y
Herramientas
de aire
llantas de
camión
Equipo de montaje de llantas
Cabina de
intura
Plataforma elevadora
bar
Pistolas selladoras
Fig. 9-1: presiones de trabajo de consumidores de aire
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9. Planificando una Estación de Compresores
Ejemplo para determinar la presion máxima
La tabla de abajo da la máxima y mínima caída de presión que se puede dar por varios
ítems en la estación de compresores.
Componenente
Tuberia de distribucion de
aire
Secador refrigerativo
Secador desecante,
incluyendo prefiltro y filtro
de particuas
Prefiltro
Microfiltro
Filtro de carbon activado
Adsorcion con carbon
activado
Control maestro (diferencial
de coneixon)
Δpmin [bar]
Δpmax [bar]
0.1
0.3
0.2
0.5
0.3
1.0
0.1
0.1
0.6
0.6
0.1
0.3
0.1
0.3
0.2
3
Tab. 9-1:Caída de presión en varios componentes
El ejemplo de abajo muestra como la presión máxima en la estación de compresores se
determina con la suma de la presión mínima de trabajo de los consumidores y la suma de
las caídas de presión que suceden en medio, incluyendo la variación por control necesaria
para regular los compresores.
Máxima
presión en
Diferencial de
presión por
Presión
mínima en el
Caída de
presión en el
compresores
control
tanque
secador
desecante y
filtro
7.4 bar
= 0.2 bar
+ 7.2 bar
= 1.0 bar
tubería
conexiones
Mínima presión
en el consumo
+ 0.1 bar
+ 0.1 bar
+ 6 bar
Fig. 9-2: Ejemplo de cálculo de presión máxima en el compresor
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9. Planificando una Estación de Compresores
9.2 Determinado la demanda de aire
9.2.1 Consumo de aire de boquillas con chorro libre
Diametro de Seccion de la
la boquilla en boquilla en
mm
mm²
Presión de trabajo en bar
1
2
4
6
8
10
12
15
0.1
0.2
0.3
0.5
1
0.0079
0.0314
0.0707
0.1963
0.7854
0.0002
0.0007
0.0017
0.0046
0.0184
0.0003
0.0011
0.0025
0.0069
0.0276
0.0005
0.0018
0.0041
0.0115
0.0459
0.0006
0.0026
0.0058
0.0161
0.0643
0.0008
0.0033
0.0074
0.0206
0.0826
0.001
0.004
0.0091
0.0252
0.1009
0.0012
0.0048
0.0107
0.0298
0.1192
0.0015
0.0059
0.0132
0.0367
0.1467
1.5
2
3
4
5
6
8
1.767
3.142
7.069
12.566
19.635
28.274
50.265
0.041
0.074
0.166
0.295
0.461
0.664
1.180
0.062
0.110
0.248
0.442
0.690
0.994
1.767
0.103
0.184
0.413
0.735
1.148
1.653
2.939
0.145
0.257
0.578
1.028
1.606
2.313
4.112
0.186
0.330
0.743
1.321
2.064
2.973
5.285
0.227
0.404
0.908
1.614
2.523
3.632
6.458
0.268
0.477
1.073
1.908
2.981
4.292
7.630
0.330
0.587
1.320
2.347
3.668
5.282
9.390
1.844
2.656
4.150
7.377
11.53
16.60
1.013
15
2.761 4.593 6.425 8.258 10.09 11.92
3.975 6.614 9.252 11.89 14.53 17.17
6.211 10.33 14.46 18.58 22.70 26.83
11.04 18.37 25.70 33.03 40.36 47.69
17.25 28.71 40.16 51.61 63.06 74.52
24.84 41.34 57.83 74.32 90.81 107.30
bar
Rango de flujo en boquillas con esquinas
redondeadas en ³/min
°C
14.67
21.13
33.01
58.68
91.69
132.04
10
78.54
12
113.10
15
176.71
20
314.16
25
490.87
30
706.86
Presion atmosferica:
Temperature ambiente:
Tab. 9-2: Consumo de aire en chorros libres con boquilla relacionados con el 100 % de eficiencia
Fig. 9-3: consumo sobre proporcional para cada incremento en diámetro de boquilla.
consumo de chorros libres con boquilla
700
h
³/ 600
m
n 500
e
e
ri 400
a
e
d 300
n
e
m200
lu
o 100
v
8 mm ø boquilla
7 mm ø boquilla
6 mm ø boquilla
5 mm ø boquilla
4 mm ø boquilla
3 mm ø boquilla
2 mm ø boquilla
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9 10 11 12 13 14 15 16
presion de trabajo en bar in bar
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9. Planificando una Estación de Compresores
9.2.2 Consumo de herramientas neumaticas
Equipo
Tipo, tamaño
l/min
m³/h
bo uilla
Plana redonda plana redonda
Pistolas de spray /pintura
Colores de agua y
laqueadoras de celulosa
delgada,
boquilla-Æ 0.5 mm
1.0
45
35
3
2
2.5
3.5
150
215
110
160
9
13
7
10
Celulosa gruesa y lacas
sintéticas normales 2.0 mm
4.5
270
180
16
11
Color adhesivo, filtro
3.0 mm
5.0
320
230
19
14
Pistolas de soplado
1-1.5-2.0 mm
6.0
60,135,240
4,8,14
Pistolas de aspersión
3.0
65
4
Cilindros engrapadores
(simple acción) 70x100
100x100
6.0
6.0
2.0 por glpe 0.12
4.5 por golpe 0.27
Taladros acero 4-8 mm
6.0
300 - 400
18 - 24
Barreno de impacto
6.0
250 - 500
15 - 30
Discos lijadores 20-100
6.0
300 - 1200
18 - 72
Lijadores de superficie
Tamaño del papel
300x100
6.0
250
15
Martillos
Martillos remachadores
Diámetro de remache
Al 3-5 mm
Acero 2-3 mm
6.0
150 - 400
9 - 24
6.0
429 - 550
26 - 33
Martillo perforador
6.0
250
15
Picks
6.0
100 - 200
6 - 12
Rompedores de concreto
6.0
1200 - 1600
72 - 96
Engrapadoras
6.0
30
2
clavadoras
6.0
350
21
Celulosa y laqueadoras delgada
sintéticas 1.5 mm/1.8mm
Remachadora y formones
Diámetro del remache
caliente 10-19 mm
frio 6-8 mm
Tab. 9-3:
Consume de aire
Presión de Trabajo
Requerimiento de Presión y volumen de herramientas neumáticas
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9. Planificando una Estación de Compresores
9.2.3 Consumo de aire de Cilindros Neumáticos
El Consumo de aire de cilindros neumáticos instalados en máquinas y otros dispositivos
puede ser establecido según la tabla de abajo. Los valores son dados para cilindros de una
sola acción y debe ser duplicado para cilindros de doble acción.
Piston
Æ mm
Presion de trabajo en bar
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
Consumo de aire en litros por cm de golpe del pistón
6
12
16
25
35
0.0005 0.0008 0.0011 0.0014 0.0016 0.0019 0.0022 0.0025 0.0027 0.0030 0.0033 0.0036 0.0038 0.0041 0.0044
0.002 0.003 0.004 0.006 0.007 0.008 0.009 0.010 0.011 0.012 0.013 0.014 0.015 0.016 0.018
0.004 0.006 0.008 0.010 0.011 0.014 0.016 0.018 0.020 0.022 0.024 0.026 0.028 0.029 0.032
0.010 0.014 0.019 0.024 0.029 0.033 0.038 0.043 0.048 0.052 0.057 0.062 0.067 0.071 0.076
0.019 0.028 0.038 0.047 0.056 0.066 0.075 0.084 0.093 0.103 0.112 0.121 0.131 0.140 0.149
40
50
70
100
140
200
250
0.025
0.039
0.076
0.155
0.303
0.618
0.966
0.037
0.058
0.113
0.231
0.452
0.923
1.441
0.049
0.077
0.150
0.307
0.601
1.227
1.916
0.061
0.096
0.187
0.383
0.750
1.531
2.392
0.073
0.115
0.225
0.459
0.899
1.835
2.867
0.085
0.134
0.262
0.535
1.048
2.139
3.342
Tab. 9-4:
0.097
0.153
0.299
0.611
1.197
2.443
3.817
0.110
0.172
0.335
0.687
1.346
2.747
4.292
0.122
0.191
0.374
0.763
1.495
3.052
4.768
0.135
0.210
0.411
0.839
1.644
3.356
5.243
0.146
0.229
0.448
0.915
1.793
3.660
5.718
0.157
0.248
0.485
0.991
1.942
3.964
6.193
0.171
0.267
0.523
1.067
2.091
4.268
6.668
0.183
0.286
0.560
1.143
2.240
4.572
7.144
0.195
0.305
0.597
1.219
2.389
4.876
7.619
consume de aire de cilindros neumáticos
Ejemplo
Un
cilindro
de cm
doble
acción tiene
un diámetro de 40 mm en su pistón con un golpe con
carrera
de 12
trabajando
a bar.
El consumo de aire para un solo golpe (pistón desde el principio al final de la carrera y de
regreso)
q = 0.085 x 12 x 2 = 2.04 litros.
Si la razón de accionamientos es de 15 por minuto, el rango de consumo es de
Q = 2.04 x 15 = 30.6 litros por minuto.
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Manual de Aire Comprimido Kaeser
9. Planificando una Estación de Compresores
9.2.4 Volumen de aire en tuberías de aire comprimido
Uno puede considerar la tubería de aire comprimido como almacenamiento de aire; estas
pueden ser llenadas y servir con función de almacenamiento. Cuando estén dimensionadas
incorrectamente estas pueden representar una resistencia significante al flujo y perdida de
presión.
Usando el monograma
Para poder determinar el volumen de aire del nomograma, se deben saber la distancia, el
diámetro y la presión de trabajo.
Una línea tomada verticalmente de la presión de trabajo en el eje x a el diámetro nominal y
después horizontalmente al eje Y da el volumen especifico en litros por minuto. Este
multiplicado por el largo de la tubería, da el volumen máximo utilizable.
Ejemplo
Una tubería de 13 mm
nominales, 5 m de largo
con una presión de trabajo
de 6 bar se llena con un
volumen:
0.8 l/m x 5 m = 4 litros.
l/m
2.6
DN 19
2.4
2.2
2.1
2.0
1.8
1.6
1.4
1.2
DN 13
1.0
0.8
0.8
DN 9
0.6
0.4
Fig. 9-4: Nomograma para
0.2
determinar el volumen
requerido para llenar una
tuberia de aire comprimido
0
DN 6
DN 4
2
3
4
5
6
7
8
9
10
bar
Usando la formula
DN²
xπxpxL
Volumen =
[litros]
4,000
DN
p
L
=
=
=
diámetro nominal. [mm]
presión de trabajo [bar]
largo de la tubería [m]
Ejemplo:
Una tuberia de 40 mm de diametro, 50 m de largo a 10 bar de presion requiere:
V = (40² / 4,000) x x 10 x 50 = 628 litros
π
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9. Planificando una Estación de Compresores
9.2.5 Determinado la demanda según utilización y concurrencia
Requerimiento de cálculo para una nueva estación de compresores
Son difíciles los cálculos de requerimiento sin datos comparables de una instalación
existente, simplemente sumar los requerimientos de los dispositivos de aire comprimido
individuales lleva a resultados incorrectos, ya que no t odos se utilizan el 100% del tiempo.
Es mas, no todos se utilizan en el mismo momento. El tiempo de uso efectivo de algunos
consumidores, como pistolas neumáticas para limpieza de piezas, no puede ser
determinado exactamente y debe ser sumado al cálculo como un simple factor. Las fugas no
pueden ser ignoradas, incluso en nuevas instalaciones, y estas deben ser calculadas con un
factor de hasta 10%. También hay que incluir un factor para ampliaciones o crecimientos
futuros.
El volumen de aire total requerido debe ser entregado por los compresores a la presión de
trabajo requerida en todo momento, por esta razón el escoger compresores y su operación
armoniosa es de primera importancia.
Utilización
En general, las herramientas neumáticas no se usan en forma continua y la proporción del
tiempo de uso con respecto a una base de tiempo, debe ser tomada en cuenta en la
planificación de una estación de compresores.
Ejemplo: Pistola de aspersión.
Tiempo de uso en una
hora
Tiempo de no utilización
en una hora
Tiempo total de uso en 1 hora: 25min
Fig. 9-5: Uso proporcional de una
herramienta neumática
Tiempo de uso
Utilización
=
Tiempo total
ð
25 min
=
60 min
Utilizacion de la pistola de aspersión cada hora 40 %
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9. Planificacion de la Estación de Compresores
Resumen de procedimientos para determinar la demanda de aire
1. Número de consumidores
2. Requerimientos por consumidor
3. Utilización: Proporción del tiempo en el cual un consumidor esta en uso en cualquier
periodo de tiempo dado.
Ejemplos de utilización:
Taladro:
Rectificadora:
Martillo percutor:
Apisonadora:
Moldeadora:
Pistola de aire:
30%
40%
30%
15%
20%
10%
4. Factor de simultaneidad: La tabla muestra valores basados en la experiencia para el
número de consumidores simultáneamente utilizados en la misma red de aire.
Factor de simultaneidad
Numero de
Factor de
consumidores
2
4
6
8 o mas
simultaneidad
0.96
0.9
0.85
0.8
5. Margen para fugas (dependiendo del tipo de industria) 10, 15, 20 %
6. Margen para expansión sobre 5-10 años:
25 % - 50 % - 75 % - 100 % (de acuerdo a una operación dada de la fábrica)
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9. Planificando una Estación de Compresores
9.3 Planificación de una Estación de Compresores
Pequeña
9.3.1 Selección del tamaño y tipo de compresor
Características de compresores de pistón y de tornillo (p.ej. máquinas pequeñas)
En muchos casos, tanto compresores de tornillo como de pistón pueden ser utilizados para
una aplicación particular, por lo tanto las características de ambos deberían ser evaluadas al
tomar la decisión.
Compresor de Pistón
Compresor de Tornillo
Régimen de carga: 70 %.
Buen requerimiento de potencia
específica pero creciente en el tiempo.
Fuertes pulsaciones.
Pobre calidad de aire, necesita
tratamiento extensivo
Alta rata de desgaste.
Altos costos de mantenimiento.
Corta vida.
Ruidoso.
Compacto, fácil de trasportar.
Económico para cargas mayores al 30 %
Intervalos de mantenimiento más largos.
Régimen de carga de 100 % posible.
Amortiguamiento de la vibración.
Efectivo post-enfriador de aire integrado
(Δt £ 10 K).
Control ventajoso.
Ejemplo de dimensionamiento del compresor
Un pequeño taller de pintura tiene los siguientes requerimientos de aire
Requerimiento
Presión
Número
Factor utilización
Requerimiento
efectivo de aire
Tab. 9-5:
Pistola de
pintura,
1.5 mm
Chorro amplio
Pistola de
pintura,
3.0 mm
Chorro amplio
Pistola de aire,
2 mm
Destornillador
neumático
150 l/min
2.5 bar
2
50 %
2 x 150 x 0.5
150 l/min
320 l/min
5 bar
1
25 %
320 x 0.25
80 l/min
240 l/min
6 bar
1
10 %
240 x 0.1
24 l/min
400 l/min
6 bar
1
20 %
400 x 0.2
80 l/min
Requerimiento total = 150 + 80 + 24 + 80 = 334 l/min
Establecimiento del requerimiento total de aire
Se deben sumar los siguientes márgenes:
Fugas
Error de calculo
Reserva
+ 10 % = 33 l/min
+ 15 % = 50 l/min
+ 20 % = 66 l/min
Compresor de Pistón:
Compresor de Tornillo:
Régimen de carga óptimo: 70 %
Requerimiento de entrega:
(334 + 33 + 50 + 66) l/min / 0.7 = 690 l/min.
El compresor de pistón debe suministrar
Régimen de carga óptimo: 100 %
Requerimiento de entrega:
(334 + 33 + 50 + 66) l/min = 483 l/min.
El compresor de tornillo de tener una
una
entrega
efectiva de 690 l/min a 8 bar.
Maquina
seleccionada
Modelo EPC 1100 – 500; 715 l/min efectivo
entrega a 8 bar.; potencia motor 5.5 kW.
entrega
de 483 l/min a 7.5 bar.
Maquinaefectiva
seleccionada
Modelo SX 6-150; 583 l/min efectivo
entrega a 7.5 bar; potencia motor 4 kW.
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9. Planificando una Estación de Compresores
9.3.2 Tiempos de carga y receso del compresor
Compresor de Pistón EPC 1100-500
Entrega efectiva:
715 l/min
Volumen del tanque: 500 l
Límites conmutación: On: 7 bar
Diferencial de conmutación = 2 bar
Off: 9 bar
Requerimiento Aire: 334 l/min
Ejemplo:
Tiempo de carga:
334 l/min
Fig. 9-6: Calculo del tiempo de
715 l/min
carga
7
Entrega adicional 381 l/min
9
Presión en el acumulador
Volumen del tanque = tamaño del tanque x diferencial conmutación = 500 l x 2 = 1000l
Tiempo de carga = volumen del tanque / entrega adicional = 1000 l / 381 l/min = 2.62 min
El tiempo de carga para aumentar la presión en el tanque de 7 a 9 bar es 2.6 minutos.
(Por
bar) cada 500 l de volumen almacenado adicional, la presión del tanque se incrementa 1
Tiempo de receso:
334 l/min
Fig. 9-7: Calculo del tiempo de receso
7
9
Presión en el acumulador
Tiempo de receso = volumen del tanque / consumo = 1000 l / 334 l/min = 2.99 min
Por cada 500 l tomados del tanque, la presión cae 1 bar.
Tiempo de receso en el tanque para que la presión caiga de 9 a 7 bar = 3 min.
El volumen almacenado de 1000 l puede suministrar aire a los consumidores durante 3
minutos sin que el compresor se encienda nuevamente.
Frecuencia de arranque del motor:
Tiempo de carga (on) = 2.6 min
Tiempo de receso (off) = 3.0 min
Intervalo de conmutación = 5.6 min
Frecuencia de arranque = 60 min / 5.6 min = 11 arranques /hora
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9.3.3 Dimensionando el tanque de aire
El tanque de aire es uno de los componentes más vitales en un sistema de aire comprimido.
Este sirve como refrigerador del aire, separador de condensados, amortiguador de
pulsaciones y como reserva. Así como un tanque de aire grande puede mejorar las
condiciones económicas del sistema de aire comprimido, uno demasiado pequeño puede
impedir el funcionamiento correcto del mismo. En una gran red de distribución de aire, la
misma tubería ejerce funciones de almacenamiento de tal forma que un tanque de menor
tamaño puede ser utilizado
Ejemplo de cálculo
Con el fin de limpiar los filtros en una planta de generación eléctrica a
partir de residuos, se requiere una ráfaga de aire comprimido a razón
de 50 m³/m por un minuto cada 4 horas. (Presión mínima de trabajo 4
bar)
La demanda total (volumen almacenado) es:
V = demanda x tiempo = 50 m³/min x 1 min = 50 m³
Existen tres posibles arreglos del tanque de aire como amortiguador
de reserva:
Fig. 9-8: Planta de generación
eléctrica
Diferencial de conmutación de 1 bar, tanque de almacenamiento de 50 m³ (grande y
costoso)
Diferencial de conmutación de 5 bar, tanque de almacenamiento de 10 m³ (mejor solución)
Diferencial de conmutación de 25 bar, tanque de almacenamiento de 2 m³ (alta presión y
costoso)
La entrega requerida del compresor para llenar el tanque de almacenamiento esta dada por:
V = 50 m³ / 4 h (= 240 min) = 0.2 m³/min
Un compresor de tornillo relativamente pequeño – modelo SX 3 con una entrega efectiva de
0.233 m³/min a 10 bar – sería adecuado.
Entrega
100
Demanda
o
ic 10
m
tí
r
a
g
o
l
1
in
m
/³
m
0.1
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Fig. 9-9: Entrega y
demanda
Tiempo en horas
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9. Planificando una Estación de Compresores
Calculo del tanque de aire como acumulador
Con frecuencia se requiere que un sistema de emergencia sea suministrado con aire
comprimido durante una falla del suministro eléctrico, en t al caso se necesita un t anque
almacenador,
aislado de l aalgunas
red principal
por una
válvula cada
cheque,
para
proporcionar
suministro. Adicionalmente,
operaciones
requieren
cierto
tiempo
de ráfagaseste
de
alto volumen de aire. Con el fin de ahorrar energía no es aconsejable proporcionar una gran
capacidad de al macenamiento en f orma de diferencial de c onmutación, es mejor y más
económico proporcionar un tanque acumulador dimensionado correctamente, el tamaño del
cual puede ser calculado como sigue:
VB
Vxt
V
t
pA - pE
pA
pE
=
=
=
=
=
=
=
Volumen del tanque acumulador en [m³]
Volumen a ser almacenado, donde:
Flujo
Tiempo en el que V es requerido en [min]
Caida de presion en el tanque acumulador, donde:
Presion inicial en el tanque en [bar]
Presion final en el tanque en [bar]
Vxt
VB =
pA - pE
Ejemplo de cálculo:
V
t
pA
pE
=
=
=
=
4 m³/min
5 min
10 bar
8 bar
Tanque de aire: VB = 4 x 5 / (10 – 8) = 10 m³
Calculo dependiendo de la frecuencia permisible de entrada en carga del compresor
Un adecuado tanque acumulador puede servir para reducir la frecuencia de ar ranque
(entradas en carga) del compresor. El diferencial de conmutación de un sistema debe ser
mantenido tan bajo como sea posible, sin embargo no se debe ignorar la máxima frecuencia
de arranque del compresor. El volumen del tanque requerido para tal efecto se calcula como
sigue:
VB =
Δp =
Z
=
A =
V1 =
V2 =
Volumen del tanque acumulador en [m³]
Diferencial de conmutación del controlador del compresor
en [bar]
La máxima frecuencia permisible de entrada en carga del
V x (A - A²)
VB =
Z x Δp
compresor
en operación
o elcontrol
numero
máximo de
arranques del
motor paracontinua
el caso de
on/off.
V2 / V1 = factor de utilización (si V2 no es conocido o fluctuante, escoja, A = 0.5)
Entrega del compresor en in [m³/h]
Demanda de aire de la operación en [m³/h]
Ejemplo de cálculo:
V1 = 5.0 m³/min,
V2 = 4.0 m³/min,
Δp = 0.5 bar
Z = 60 entradas en carga por hora (compresor de tornillo en operación continua)
Factor de utilización: A = 4.0 / 5.0 = 0.80
Tamaño del tanque: VB = (5.0 x 60) x (0.80 – 0.80²) / (60 x 0.5) = 1.60 m³
Tamaño del tanque: 2 m³
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9. Planificando una Estacion de Compresores
9.4 Planificando una Estación de Compresores Grande
Primero se debe calcular la máxima presion de diseño de los compresores. A la presion
requerida mínima, se le suma la caída de presion a través de la red de distribución, los
componentes del sistema de aire, la misma estación y el diferencial de conmutación. (Ver 910).
Mínima del
consumidor
Consumidor
+
1
Caída de presión del
sistema de
tratamiento nuevo
Caída de presión de
red de distribución
+
2
Máx. Caída permisible
a través del sistema
de tratamiento
3
Caída de
presión interna
en la estación
+
+
Diferencial de
conmutación
Presión
de diseño
máxima
del
compresor
Fig. 9-10: Determinación de la presión de diseño máxima del compresor
Los siguientes valores pueden ser tomados como guía al calcular la caída de presión
1
£ 0.1
bar
2 Secador refrigerativo
2 Secador desecante
(Incluye filtros)
2 Filtros FE/FF
2 Filtros FB/FC/FD
2 Filtros FG
2 Filtros FST
£ 0.2
bar
£ 0.8 bar
£ 0.6
bar
£ 0.6 bar
£ 0.2 bar
£ 0.2 bar
3 < 0.05 bar
4 < 0.2 hasta 2 bar dependiendo del tipo
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9. Planificando una Estación de Compresores
Determinando la demanda de total de aire
1. Cuando se planea una estación de compresores nueva sin contar con
valores comparables de una estación ya existente de los requerimientos de
herramientas neumáticas y maquinas.
Cuando se planea una nueva instalación sin contar con valores comparables de una
estación ya existente, los consumidores deberán ser listados con sus requerimientos
individuales. Se pueden agrupar los dispositivos similares y el requerimiento total del grupo
se tomara considerando los factores de utilización y simultaneidad.
Herramien
ta / Grupo
de
maquinas
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
Requerimientos
individuales de
maquina o
herramienta
Numero de
herramientas
Utilización Simultaneidad
Consumo del grupo
AL (%)
VW1 x W x AL x GZ
100
100
= VWG (m³/min)
GZ (%)
W
VW1 (m³/min)
Demanda total de aire de maquinas / herramientas VWges =
m³/min
El total de los requerimientos se encontrará al sumar los grupos. Deben ser sumados
adicionalmente consumidores varios y fugas.
Total de la demanda de aire de la operación
Consumidores varios
Vsonst = ..........m³/min
Fugas
en la redde aire
Total demanda
Leck
V
Vges
Vges
= ..........m³/min
=
VWges + Vsons + VLeck
= ..........+ ........+ ......... = ..........m³/min
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9. Planificando una Estación de Compresores
2. Planificando la capacidad de un compresor de reserva o una instalación paralela a
la planta existente
Si
ya existe
una estación
de compresores
bien esta
mantenida,
hay
dos estación:
formas por las cuales se
puede
determinar
la demanda
de aire a la cual
sometida
dicha
-
Medición digital por medio de un registrador de datos ADA (analizador de
demanda de aire) y una opto acoplador, tomando medidas en intervalos cortos y
regulares con el fin de determinar el tiempo en marcha del compresor, tanto a
plena carga como en cargas parciales, y el tiempo de receso.
- Es posible, con la ayuda de equipos especiales, medir compresores con
frecuencia variable o con control modulante.
- Adicionalmente, el registrador de datos adquiere, registra y almacena los valores
máximos, mínimos y promedios por un periodo determinado de tiempo.
Fig. 9-11: Registrador de datos ADA
- Mediciones directas de flujo, cuando la evaluación a partir de la utilización no es
posible. Esto aplica especialmente para compresores mantenidos pobremente,
donde el desgaste y filtros de ad misión saturados conducen a menor FAD y a
gastos de potencia mas altos de los dados en la información técnica de los
compresores. Adicionalmente, con este método se pueden medir acertadamente
flujos parciales de aire comprimido
Fig. 9-12:Flujometro
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9. Planificando una Estación de Compresores
9.4.1 ADA y KESS
Medición de una estación existente de compresores con ADA (Air Demand Analysis).
El data logger del ADA determina la utilización de compresores individuales para determinar
la continua demanda de aire. Puede medir compresores con control on/off como así también
aquellos con control de modulación y frecuencia.
El gráfico muestra la demanda de aire relacionada a varios turnos y períodos de inactividad
como así también los rangos de fugas, es decir, demanda en fines de semana cuando no
hay producción.
Demanda en días de semana
Turno final
Turno noche
Turno inicial
Inactivo
Demanda en fines de semana
Fig. 9-13: Analisis de Demanda de Aire
Después del análisis de los datos recolectados con KESS (Kaeser Energy Saving System),
emergen dos alternativas que podría suplir la demanda:
Alternativa sin standby
2 x BSD 62 / 7 bar
2 x ASD 32 / 7 bar
1 x SAM 4/4
Alternativa con standby
3 x BSD 62 / 7 bar
2 x ASD 32 / 7 bar
1 x SAM 8/4
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9. Planificando una Estación de Compresores
ADA y KESS en detalle
Mediante ADA, se puede establecer la demanda de aire por un período extenso como
también para un solo día, tal como se ilustra en 9-15. Los colores designan a los
compresores
carga
base,
carga media yde
carga
pico así como
también
para
auxiliar. KESScomo
puede
simular
la coordinación
los compresores
para
cumplir
conlalamáquina
demanda y también simular diversas alternativas para establecer la solución más
económica.
70
60
BSD 62
BSD 62
50
BSD 62
40
DSD 171
DSD 171
30
DSD 171
DSD 171
20
Entrega
benötigte
requerida
Liefermenge
10
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
:0 1:0 2 :0 3:0 4 :0 5:0 6 :0 7:0 8 :0 9:0 0 :0 1:0 2 :0 3:0 4 :0 5:0 6 :0 7:0 8 :0 9:0 0 :0 1:0 2 :0 3:0
00
0
0
0
0
0
0
0
0
0
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
2
2
2
2
Fig. 9-15: Utilización y
coordinación de los
compresores
Además, se pueden grabar y analizar los cambios de presión en toda la red o puntos
selectos. (9-16).
Carga total para un día miércoles
Ecualización de la presión
en la tubería al final de la
producción
Baja rápida de la presión
a 5.25 bar al comienzo
de la producción
Demanda aire
Promedio
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9. Planificando una Estación de Compresores
Verificación del consumo de energía
Los números exactos muestran el consumo de energía y la eficiencia de energía de cada
sistema simulado (9-17) y brindan una base para seleccionar el más ahorrativo.
Fig. 9-17: Análisis de consumo de energía
Predicción realista de ahorro de energía
Las herramientas de análisis y simulación ADA y KESS, desarrolladas por Kaeser, permiten
realizar una predicción de ahorros de energía que se lograrán empleando las soluciones que
se brindan (9-18).
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9. Planificando una Estación de Compresores
9.4.2 Diagrama de una Estación de Compresores
Escoger los componentes correctos para una nueva instalación o modernizar una existente
es sólo el primer paso; deben ser combinados de manera que hagan más productivo su
empleo y más económico su funcionamiento. Esto hará una diferencia considerable, por
ejemplo, si el secador es instalado corriente arriba o abajo del receptor de aire.
Microfiltro
(filtración de
acuerdo a la
calidad de aire
requerida).
La presión que mantiene o
airea el sistema principal,
la sobrecarga previene el
equipo de tratamiento de
aire cobrando un aire
vacío principal.
Compresor a Tornillo
Tanque con
condensador.
Secador refrigerativo con bypass (no
necesario con función standby).
Fig. 9-19 Diagrama de una
estación de compresores
Separador de
Agua - Aceite
(Trat. de
condensado)
Secador corriente arriba del receptor de aire
Ventajas
Fig. 9-20: Secador corriente arriba
Aire seco en el receptor.
Ningún condensado surgiendo en el receptor.
La entrega de compresor es el índice de flujo máximo con el que el secador tiene que
tratar
Desventajas
La capacidad del secador debe emparejar la entrega de compresor.
La sequedad del flujo de aire parcial no es posible.
La temperatura de entrada de aire comprimido es más alta que lo sería río abajo del
receptor.
Todo el condensado debe ser quitado por el secador.
(se recomienda un separador ciclónico corriente arriba)
Medidas
debenpulsaciones
ser tomadasfuertes.
usando compresores
de pistónespeciales
para amortiguar
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9. Planificando una Estación de Compresores
Secador aguas abajo del receptor de aire
Ventajas
Se puede diseñar el secador para flujo parcial.
La temperatura de entrada de aire es más baja de lo que sería si
estuviera aguas arriba del receptor.
70 % del condensado ya se precipita fuera del receptor.
Fig. 9-21: Secador aguas abajo
del receptor de aire
Desventajas
Condensado en el receptor.
El secador se puede sobrecargar por una demanda de aire repentina y elevada del
receptor.
En los casos en que sea posible, instale el
secador de refrigeración con una bifurcación.
Disposición del secador con y sin auxiliar
Secador
Desde el compresor
Hacia la red
Fig. 9-22: Disposición del
secador con auxiliar.
Secador auxiliar
Desde el compresor
Hacia la red
Fig. 9-23: Disposición sin
auxiliar.
Secador
Si
se quiere asegurar la calidad del aire, no admita
bifurcación.
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9. Planificando una Estación de Compresores
Instalación de compresores pequeños enfriados con aire
Compresores integrados
Los compresores que incorporan un receptor de
aire, tal como se ilustra, no necesitan base. Se
provee un montaje flexible mediante una capa
de goma simple de 5 mm de espesor, de dureza
media, bajo las patas y bajo las tuercas de los
pernos de apoyo. Los elementos contra la
vibración y de amortiguación completan las
medidas necesarias contra la vibración.
Cuando se conecta a la tubería de distribución
de aire, conviene colocar una manguera flexible
de aproximadamente 0,5 m de longitud entre la
válvula de cierre del receptor de aire y el tubo de
aire. (9-24).
Manguera
Fig. 9-24: Manguera conectora
Compresores con receptores autoestables
En estas instalaciones, la unidad compresora está
montada sobre un plinto de aproximadamente 10 cm de
altura. Esto facilita el mantenimiento. Se aplican los
mismos principios de montaje flexible para las máquinas
integradas que se describen anteriormente (9-25).
Los compresores de tamaño mediano o grande se deben
instalar
en un recinto
sea limpio,
sin polvo,
seco
y fresco.
De serespecial
posible, que
seleccione
la orientación
norte del edificio y evite o aísle la tubería y el equipo que
disipan calor.
compensador
Fig. 9-25: Compresor sobre base
La temperatura del recinto del compresor no debe bajar
de los 3º C para evitar daño por congelamiento y corrosión por excesiva condensación. Por
esta razón, se deben colocar rejillas ajustables para las aberturas de entrada de aire de
enfriamiento para compensar las fluctuaciones estacionarias de la temperatura exterior. Se
debe contar con fácil acceso y buena iluminación para el trabajo de mantenimiento y las
inspecciones del receptor de aire.
Los
compresores
enfriados con
evidentemente
requieren
un flujo
adecuado
enfriamiento.
La temperatura
delaire
recinto
del compresor
no debe
sobrepasar
losde+ aire
40º de
C.
Normalmente bastará la ventilación natural para máquinas con motores de hasta 22 kW,
pero se hace necesaria la ventilación artificial para instalaciones más grandes o recintos
pequeños con compresores. El compresor debe estar ubicado cerca de la abertura de
entrada de aire de enfriamiento de modo que su ventilador extraiga el aire frío directamente
a través de él. Debido a que el aire caliente se eleva, la abertura de escape debe estar
ubicada en el cielorraso o en la pared inmediatamente debajo del cielorraso y debe estar
ubicada de tal manera que el aire cálido del compresor fluya hacia ella. Una puerta abierta
no siempre aumenta el enfriamiento para el compresor si el aire que entra por la puerta toma
el camino más corto hacia la abertura de aire de escape sin rodear al compresor.
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9. Planificando una Estación de Compresores
9.4.3 Ventilación del recinto del compresor
General
Si hay más de un c ompresor instalado en el recinto, es esencial asegurarse de que todos tengan la
ventilación adecuada. Sume la potencia de accionamiento de los compresores y entonces proceda
como si en el recinto estuviera instalado un solo compresor de ese tamaño.
Cuide que el flujo de a ire que genera el ventilador del primer compresor no f luya al compresor
contiguo, tal como se muestra en la siguiente ilustración, ya que esto crea un enfriamiento incorrecto.
Entrada de aire
de enfriamiento
Escape de aire de
enfriamiento
Incorrecto
Fig. 9-26: Disposición incorrecta
La solución, de ser posible, es una abertura de entrada de aire de enfriamiento para cada compresor
(9-27). El tamaño de la abertura de aire de escape debe ser igual en área al total de las aberturas de
aire de entrada individuales. Para calcular el tamaño de las aberturas de aire de entrada individuales,
se suman las potencias de accionamiento de los compresores individuales para obtener el flujo de
aire de enfriamiento y la abertura de aire de entrada requerida para la potencia nominal total (igual a
la abertura de es cape también). El total entonces se distribuye al compresor individual según sus
necesidades, de modo que cada uno tenga una abertura de aire de entrada que corresponda a su
tamaño.
Correcto
Abertura de escape,
equipada con un
extractor si es necesario
Aberturas de
entrada
Fig. 9-27: Disposición
correcta
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9. Planificando una Estación de Compresores
Ventilación natural
El aire que el ventilador del compresor atrae al recinto recibe el calor del compresor y se
eleva por convección a una presión un tanto elevada para salir del recinto por la abertura de
escape. Este tipo de ventilación se recomienda sólo para la utilización con compresores con
una potencia de motor de menos de 7.5 kW, ya que se puede ver afectada negativamente
por el sol o el viento que inciden en la abertura de escape.
El caudal de aire de enfriamiento requerido se especifica en el cuadro 9-7 de la página
siguiente. Éste es un cálculo simplificado, en el cual el cielorraso, el piso, las puertas y las
ventanas se tratan de igual manera.
Temperatura ambiente 35 °C
Diferencial de temperatura entre el interior y el exterior: 15 K
Grosor de la pared: 25 cm
El cuadro 9-8 (pág. 25) indica el tamaño necesario de la abertura de aire de escape para el
volumen de aire de enf riamiento y se muestran varias diferencias de al tura entre las
aberturas de e ntrada y de escape. La ab ertura de entrada es más grande, como
corresponde, para considerar la utilización de rejillas, parrillas, etc.
Altura de abertura de escape
f ab
h
Entrada de aire
f zu
Fig. 9-28: Ventilación natural
Ejemplo de cálculo
Tamaño
delderecinto:
Diferencial
altura h:
Potencia de motor de compresor:
Supuesto muro de ladrillos.
25
2.5m³
m
7.5 kW
Flujo de aire de enfriamiento requerido:
1,300 m³/h (del cuadro 9-7)
Abertura de escape:
0.7 m² (promediado del cuadro 9-8)
Abertura de entrada:
0.7 m², como abertura de escape
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9. Planificando una Estación de Compresores
Tab. 9-7: Flujo de aire de enfriamiento por ventilación natural
Tamaño del
cuarto en m³
Potencia del Flujo de aire requerido en m³/h con paredes hechas de:
Compresor
Ladrillo
Concreto ligero
(Motor) en kW Concreto B160
25 (2.5 m alto)
50 (2.5 m alto)
100 (3 m alto)
150 (3.5 m alto)
200 (4 m alto)
3
4
5.5
7.5
11
15
18.5
22
3
4
5.5
7.5
11
15
18.5
50
200
700
1,100
1,800
2,700
3,300
4,000
30
100
400
800
1,400
2,400
3,000
150
370
870
1,300
2,000
3,000
3,600
4,200
125
180
650
1,100
1,800
2,700
3,300
250
400
1,000
1,500
2,200
3,100
3,700
4,300
200
350
900
1,350
2,100
3,000
3,600
22
3
4
5.5
7.5
11
15
18.5
22
3
4
5.5
7.5
11
15
3,700
4,000
100
200
900
1800
2,400
3,200
130
400
800
1,500
2,400
3,000
3,700
4,250
100
250
750
1,200
1,900
2,800
3,400
4,100
200
400
1,800
50
500
1,250
2,100
170
600
1,000
1,800
2,600
18.5
22
3
4
5.5
7.5
11
15
18.5
22
1,900
2,600
2,700
3,400
3,200
3,900
200
1,000
1,800
2,500
3,200
50
400
900
1,600
2,500
3,100
3,800
300
900
1,500
2,200
Tab. 9-8: Abertura de escape
Flujo de aire
en m³/h
1,000
1,500
2,000
Diferencia en
la altura en m
Abertura de
escape en m²
3
4
5
2
3
4
5
2
3
4
5
2
3
4
5
0.25
0.2
0.15
0.6
0.5
0.4
0.3
0.9
0.7
0.6
0.5
1.2
0.9
0.8
0.7
Flujo de aire Diferencia en la Abertura de
en m³/h
altura en m
escape en m²
2,500
3,000
3,500
4,000
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2
3
4
5
2
3
4
5
2
3
4
5
2
3
4
5
1.4
1.2
1.2
0.9
1.7
1.4
1.2
1.1
2
1.7
1.4
1.3
2.3
1.9
1.7
1.5
25
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Manual de Aire Comprimido Kaeser
9. Planificando una Estación de Compresores
Ventilación Forzada
La ventilación mas común para sala de compresores es la ventilación forzada en la que el
flujo de aire es controlado. Este tipo de ventilación controlada es recomendada para prevenir
temperaturas inferiores a +3 °C en la sala en periodos de invierno, lo que podría afectar
negativamente el funcionamiento del compresor, de los desagües de condensados y las
unidades de tratamiento.
El control de f lujo es necesario, como se crea un vacío en la habitación y el aire que e s
llevado fuera, no se debe permitir que el flujo de calor ingrese nuevamente en la habitación.
Ventilación forzada permite un gr adiente de t emperatura más baja, de manera que u na
mayor reserva en condiciones de alta temperatura exterior sea obtenida. Gradiente de
temperatura desde el exterior hacia el interior = 10 K. En cuanto al cálculo, se aplican las
mismas condiciones que para la ventilación natural.
El tamaño de la abertura de entrada es mostrada en la figura 9-9. Es preferible asumir un
flujo de aire de enfriamiento Czu = 3 m/s a través de la abertura de entrada de aire. Sin
embargo, si es necesario 5 m/s es debido a los problemas de construcción, entonces esto
se debe tener en cuenta a la hora de calcular el flujo necesario un extractor. Para aberturas
simples de difícil realización, se puede tomar 10 mm (98 Pa).
Ejemplo de calculo
Flujo del aire
en m³/h
Tamaño sala:
100 m³
Altura de la sala:
3m
Potencia compressor (motor):22 kW
500
1,000
2,000
3,000
Pared de concreto liviano
Caudal requerido:
9-10, p. 27)
4,000
5,000
6,500 m³/h (de tabla 10,000
15,000
20,000
Apertura de entreda:
0.6 m²
25,000
(promediada de 9-9 a 3 m/s flujo de entrada).
30,000
35,000
40,000
45,000
50,000
Estimación aproximada de las
necesidades de caudal de aire de refrigeración
Tab. 9-9:
Apertura de
entrada
de czu = 3 m/s
m²
Apertura de
entrada de czu
= 5 m/s
m²
0.05
0.1
0.2
0.3
0.03
0.06
0.12
0.17
0.4
0.5
0.9
1.4
1.9
2.3
2.8
3.2
3.7
4.2
4.6
0.23
0.3
0.6
0.9
1.1
1.4
1.7
2.0
2.2
2.5
2.8
Determinacion de apertura de entrada
Q x 3,600
Vk =
1.2 x Dt
Vk
=
Flujo de aire de refrigeración [m³/h]
Q
=
Calor a ser extraído en kW (Simplificado para las máquinas enfriadas por aire
refrigerado)
3,600 =
Factor de conversión segundos/hora
1.2
=
Capacidad especifica de calor del aire en [kJ / m³ K]
Dt
=
Aumento de la temperatura del aire de refrigeración en [K] (aprox. valor 5 –
10 K referido a la máxima temperatura exterior esperada en verano).
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9. Planificando una Estación de Compresores
Tab. 9-10: Flujo de aire de enfriamiento con ventilación forzada
Tamaño del
cuarto en m³
25
(2.5 m alto)
50
(2.5 m alto)
100
(3 m alto)
200
(4 m alto)
500
(5 m alto)
Potencia del
compresor
Flujo de aire de enfriamiento requerido en m³/h con
paredes hechas de:
(motor) en kW
5.5
7.5
11
15
18.5
22
30
37
45
55
75
90
Concreto B160
1,600
2,200
3,200
4,300
5,500
6,700
9,600
11,900
14,400
18,100
25,100
30,200
Ladrillo
1,700
2,300
3,300
4,500
5,800
7,000
10,000
12,300
15,000
18,500
25,500
30,500
Concreto liviano
1,800
2,400
3,400
4,700
6,000
7,300
10,200
12,500
15,200
18,700
25,700
30,700
5.5
7.5
11
950
1,300
2,300
1,050
1,400
2,450
1,150
1,500
2,600
15
18.5
22
30
37
45
55
75
90
110
132
4,000
5,000
6,100
8,600
10,800
13,400
16,500
22,800
27,600
33,900
40,800
4,250
5,300
6,400
9,000
11,200
13,700
16,900
23,200
28,000
34,300
41,200
4,500
5,600
6,700
9,200
11,400
14,000
17,100
23,400
28,200
34,500
41,500
5.5
7.5
11
15
18.5
750
1,150
2,000
3,500
4,400
950
1,250
2,200
3,900
4,400
1,050
1,350
2,400
4,300
5,400
22
30
37
45
55
75
90
110
132
5,500
8,000
10,300
12,800
15,900
22,300
27,000
33,300
40,300
6,100
8,600
10,800
13,400
16,500
22,850
27,600
34,000
40,800
6,500
9,000
11,200
13,800
16,900
23,200
28,000
34,300
41,300
5.5
7.5
11
15
18.5
22
30
37
45
55
75
90
110
132
700
950
1,600
2,900
3,600
4,600
7,200
9,400
12,000
15,100
21,400
26,200
32,500
39,500
850
1,100
2,000
3,500
4,500
5,600
8,100
10,300
12,900
16,000
22,300
27,100
33,500
40,300
950
1,300
2,250
3,900
5,100
6,200
8,800
11,000
13,500
16,700
23,000
27,700
34,100
41,000
5.5
7.5
11
15
18.5
22
30
37
45
55
250
350
600
1,100
1,300
2,400
4,900
7,100
9,600
12,800
600
800
1,400
2,500
3,100
4,200
6,700
8,900
11,500
14,600
900
1,100
1,900
3,400
4,300
5,500
8,000
10,200
12,800
15,900
75
90
110
132
19,900
23,900
30,200
37,200
20,900
25,600
32,000
39,000
22,200
27,000
33,300
40,200
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9. Planificando una Estación de Compresores
Sin ductos de ventilación
Compresores con motor por debajo de 5,5 kW de potencia por lo general no necesitan más
de la ventilación natural (9-29), pero ventilación forzada por medio de un ventilador extractor
(9-30) se recomienda para máquinas superiores.
Fig. 9-29: Ventilacion Natural
Fig. 9-30: Ventilacion forzada
Ventilación con Ducto
Todos
compresores,
máquinas
por agua, necesitan
volumenlos
suficiente
de aire incluyendo
de refrigeración
a fin dede
norefrigeración
afectar su funcionamiento
o acortar un
su
vida operacional.
El ventilador de enfriamiento de las máquinas enfriadas por aire sólo está diseñado para
superar una cierta resistencia del aire en l a entrada y salida de la maquina. Ésta es
especificada por el fabricante y no debe superarse, ya sea en la entrada o salida.
La instalación de cualquier elemento en el flujo de aire que modifique su dirección, como
curvas y T o filtros aumenta la resistencia al flujo de aire.
La dimensión de cualquier sección transversal a través del cual fluye el aire, influye en la
velocidad de la corriente y su resistencia.
Tip:
Los ductos deben ser lo más breve posible. La velocidad del flujo se debe elegir lo más bajo
posible. El dimensionamiento de ductos siempre debe tener un margen amplio
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9. Planificando una Estación de Compresores
Valores recomendados de ventilación para compresores enfriados por aire
La tabla abajo nos da las dimensiones de la apertura de extracción por ventilación natural y
de
los dimensiones
de los ductos
dese
la ventilación
forzada
de la en
potencia
del
motor
compresor. Valores
exactos
puede obtener
de dependiendo
la especificación
los datos
técnicos de los compresores.
Potencia del Apertura
de
Motor
Compresor Entrada
[kW]
Apertura
de
1)
Salida
Capacidad
de Ventilador
requerida2)
Ducto de
Extracción
An. x Al.
Diferencial
de Presión
permitible
en el ducto.
Volumen de
Aire caliente
utilizable
[m²]
[m²]
[m³/h]
1,000
[mm]
[Pa]
40
[m³/h]
1,100
0.1
0.4
150x350
0.2
0.9
-
1,300
1,500
2,000
2,500
4,000
5,000
6,500
7,500
9,000
10,000
11,000
20
20
30
20
30
30
60
60
60
60
60
1,500
1,500
1,500
1,500
2,500
2,700
3,800
3,800
4,500
5,400
8,000
--
13,500
20,000
24,000
30,000
34,000
41,000
41,000
60,000
75,000
700x700
60
80
60
60
150
150
80
100
80
8,000
9,400
10,700
13,000
14,000
21,000
21,000
27,000
34,000
2.2
3
4
5.5
7.5
11
15
18.5
22
25
30
37
45
55
75
90
110
132
160
200
250
0.3
0.35
0.5
0.5
0.6
0.7
0.8
1.0
1.4
1.7
2.2
2.4
3.0
4.2
5.2
Tab. 9-11:
1)
2)
1.5
200x355
350x600
650x650
650x650
1,000x1,000
975x975
1,200x1,200
Datos de ventilación para compresores enfriados por aire
ventilación natural, apertura de entrada y salidadel mismo tamaño
ventilación forzada, static thrust 10 mm WS (98 Pa)
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9. Planificando una Estación de Compresores
9.4.4 Ejemplos de dibujos de una estación de aire comprimido
Ejemplo 1
Fig. 9-33: diagrama P&I ejemplo 1
Ejemplo 1
Fig. 9-34: Dibujo ejemplo 1
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9. Planificando una Estación de Compresores
Fig. 9-35: Dibujo 3D, ejemplo 1
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9. Planificando una Estación de Compresores
Ejemplo 2
Fig. 9-36: P+I del ejemplo 2
Fig. 9-37: Plano de planta ejemplo 2
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9. Planificando una sala de compresores
Fig. 9-38: Ilustración 3D del Ejemplo 2
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9. Planificando una sala de compresores
Ejemplo 3
Fig. 9-39: Diagrama P+I del Ejemplo 3
Fig. 9-40: Disposición Ejemplo 3
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9. Planificando una sala de compresores
Fig. 9-41: Ilustración 3D del ejemplo 3
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9. Planificando una sala de compresores
Ejemplo 4
Línea de control
Tubería
colectora del
aire comprimido
DN 100
A la red
de
trabajo
Aceite
Línea de condensados
Agua
1
2
3
4
5
6
7
Compresor de tornillo CSD
Compresor de tornillo BSD
Manguera
Separador ciclónico
Llave de bola
Depósito
Secador frigorífico
8
9
10
11
12
13
14
Microfiltro de carbón activo filtro FFG con Monitor
Purgador electrónico automático ECO-Drain
Unidad de tratamiento de condensados Aquamat.
Controlador general Sigma Air Manager
Transductor de presión para el SAM
Unidad mantenedora de presión
Monitor
Fig. 9-42: Diagrama P+I del ejemplo 4
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9. Planificando una sala de compresores
Ejemplo 4
Fig. 9-43: Disposición Ejemplo 4
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9. Planificando una sala de compresores
Fig. 9-44: Ilustración 3D del Ejemplo 4
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9. Planificando una sala de compresores
9.5 SIGMA AIR UTILITY
Decisión: ¿Instalar su propia estación de aire comprimido o
simplemente comprar el aire que necesita?
El precio del Kilovatio-hora de la energía consumida, cada metro cúbico de agua y cada
kilómetro que los bienes y materiales son transportados son factores fundamentales que
repercuten en los costos de funcionamiento. En el caso del aire comprimido, una de las
fuentes de energía más importantes de la industria, solo uno de cada diez responsables es
capaz de constatar el precio de cada metro cúbico de aire. Este no es un hecho
sorprendente, ya que el costo del aire comprimido en estaciones propias depende mucho de
las circunstancias y suele ser muy difícil de calcular. Sin embargo, si el aire comprimido es
suministrado
en elmayor
producto
ofrecido
por Kaeser
con el nombre Sigma
Air Utility, loscomo
costosuna
se utilidad,
ven con una
claridad,
así como
las ventajas.
Fig. 9-45: Utilidades
Los usuarios que rechazan la idea de adquirir un sistema de aire comprimido en favor de la
compra de la cantidad y calidad del aire comprimido que necesitan, mejoran
considerablemente la transparencia de sus costos de operación; en lugar de complicados
proyectos de costos, al cliente se le presenta un contrato, con un precio fijado en un plazo
largo por el metro cúbico, lo que supone una base fiable a la hora del cálculo de costes
dentro de la empresa. El precio base es fijado para la duración del contrato y cubre los
costos de operación y la aceptación de un caudal de aire comprimido. También se refleja en
el contrato el precio en c aso de exceso de consumo. Precisos aparatos de medición
garantizan que solo se factura el aire que es utilizado por la red. El usuario tiene que
proporcionar una sala en la que pueda ubicar el sistema de aire comprimido y el suministro
eléctrico,
pero los detalles
sistema,
el cálculodel
defabricante
las necesidades, planificación,
diseño e instalación,
corren del
de la
cuenta desde
de los expertos
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9. Planificando una sala de compresores
Así como la oferta de transparencia en el cálculo de costos el concepto de aire como utilidad
también acarrea un factor de disminución del coste unitario. Como el sistema de aire
comprimido es controlado y mantenido por Kaeser la iniciativa es la de a segurar que l a
instalación
sede
ajuste
lo más posible
a la
demanda incluyendo
los todos
equipos
económicos
los recursos
mantenimiento
más
avanzados.
Por ejemplo,
losmás
Sigma
Air Utilityy
están conectados vía Teleservice (Tele-mantenimiento) con el Kaeser Service Centre
(centro de mantenimiento Kaeser); esto asegura la máxima eficiencia y disponibilidad
utilizando la más avanzada tecnología en ahorros energéticos, diagnosis remota de costos
efectivos y mantenimiento preventivo englobado en un solo paquete. El cliente también goza
de los beneficios de la eliminación de los costes de inversión y de personal mejorando de
este modo la liquidez y libreando recursos para concentrarse en el núcleo del negocio y
generar beneficios.
Ventajas del Sigma Air Utility:
Incremento de la flexibilidad y disponibilidad de aire comprimido,
Transparencia en los costos,
Costes asociados al aire comprimido más bajos,
Sin inversión,
No necesita personal de mantenimiento.
Fig. 9-46: Precio fijo por el aire comprimido
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10.
Anexos y Normas de Seguridad
10.1
Símbo los gr áficos
10.2
Símbolos del Diagrama P + I
10.3
La marca CE
10.4
Norm as Generales de Segur idad
10.5
Lista de normas
10.5.1
10.5.2
10.5.3
10.5.4
10.5.5
Estándares
Directivas
Recomendaciones (Pneurop)
Normas
Asociaciones
10.6
Estaciones Compresoras que cumplen con la
Directiva de Equip os a Presión 97/23/EC
10.7
Decreto sob re Salud y Segu ridad Industri al
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10. Anexos y Normas de Seguridad
10.1 Símbolos gráficos
Extracto de la norma ISO 1219
Conversión de energía
Compresor
Bomba de vacío
Motor neumático
de un solo sentido
de giro
Motor neumático de
dos sentidos de giro
Motor oscilante
neumático
Cilindro de simple
efecto con retorno
por fuerza externa
Cilindro de simple
efecto con retorno
por fuelle
Cilindro de doble
efecto
Cilindro de doble
efecto con doble
vástago
Cilindro
diferencial
Cilindro de doble
efecto con muelle
Cilindro de doble
efecto con doble
Cilindro
multiposicional, p.
Cilindro telescópico
de doble efecto
Intensificador de
presión
simple fijo
muelle ajustable
ej. 3 posiciones
(transformador)
Control y regulación de la energía
Válvula de control
direccional de 2
vías, 2 posiciones,
cerrada
Válvula de control
direccional de 2
vías, 2 posiciones,
en posición de
paso de flujo
Válvula de control
direccional de 3
vías, 2 posiciones,
cerrada
Válvula de control
direccional de 3
vías, 2 posiciones,
en posición de paso
de flujo
Válvula de control
direccional de 3
vías, 2
posiciones, con
centro cerrado
Válvula de control
direccional de 4
vías, 2 posiciones
Válvula de control
direccional de 4
vías, 3 posiciones,
con centro cerrado
Válvula de control
direccional de 5
vías, 2 posiciones
Válvula de control
direccional de 4
vías, 3 posiciones,
con línea de
funcionamiento con
centro ventilado
Válvula de control
direccional de 5
vías, 3
posiciones, con
centro cerrado
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10. Anexos y Normas de Seguridad
Válvula de retención,
automática
Válvula de
retención
accionada por
muelle
Válvula de retención
pilotada
Válvula de retención
doble
Válvula de retención,
de escape rápido
Válvula de control de
flujo fijo
Válvula de control
de flujo variable
Válvula de control de
flujo, válvula de
retención de mariposa
Válvula de presión,
válvula de retención
de diafragma
Válvula de presión,
válvula de admisión
con ajuste manual
Válvula de presión,
válvula de admisión
ajustable
mecánicamente que
trabaja contra la carga
del muelle.
Válvula de presión,
válvula de alivio de
presión ajustable con
mando pilotado
Válvula de presión,
válvula de alivio de
presión ajustable con
escape
Válvula de presión,
Válvula de presión,
regulador
de presión
ajustable sin
puerto
de alivio
regulador
de
presión
ajustable
con puerto de alivio
Transmisión de energía
Fuente de presión
Línea de
funcionamiento
Línea de pilotaje
Línea de drenaje,
purga o ventilación
Tubo flexible
Conductor eléctrico
Unión de
conductos (fija)
Cruzamiento de
conductos (no
conectado)
Purga de aire
Orificio de escape no
provisto para conexión
Orificio de escape
roscado para
conexión
Punto de despegue
propulsado
(conectado)
Punto de despegue
propulsado (sin línea de
despegue)
Acoplamiento rápido
(conectado)
Acoplamiento rápido
con válvulas de
retención automáticas
(conectado)
Acoplamiento rápido
(desacoplado con
extremo cerrado)
Acoplamiento
rápido
(desacoplado con
extremo abierto)
Unión giratoria de una
vía
Unión giratoria de dos
vías
Silenciador
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10. Anexos y Normas de Seguridad
Depósito de aire
Filtro o depurador
Trampa de agua
con drenaje manual
Trampa de agua con
drenaje automático
Secador por chorro
de aire
Lubricador
Unidad de
acondicionado
(símbolo
simplificado)
Enfriador
Bloqueador
Dispositivo de
bloqueo (* =símbolo
de control de
desbloqueo)
Filtro con drenaje
automático
Mecanismos d e cont rol
Eje rotativo, en una
dirección
Dispositivo de
rotación simple
Eje rotativo, en
varias direcciones
Dispositivo de
rotación con
palanca transversal
Dispositivo de
centrado (evita que
el mecanismo se
detenga en el
centro)
Dispositivo de
rotación con punto
de apoyo fijo
Métodos de contro l
Control manual
(símbolo general)
por botón
por palanca
por pedal
Control mecánico
por pistón
por muelle
por rodillo
por rodillo en un
único sentido
Control eléctrico, por
solenoide con un
bobinado
por solenoide con
dos bobinados que
funcionan en
sentido contrario
por motor eléctrico
por motor eléctrico
paso a paso
Control de acción
directa, por
aplicación de presión
por alivio de
presión
Control indirecto,
servopilotado, por
aplicación de
presión
por alivio de presión
Control de presión
con presión de
centrado
Control de presión
con muelle de
centrado
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por presión
diferencial
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10. Anexos y Normas de Seguridad
Control combinado
por solenoide y
válvula direccional
pilotada
por solenoide o
válvula direccional
Control especial,
por presión
aplicada desde un
amplificador
Control especial
por presión
aplicada mediante
la creación de
características de
conmutación
por solenoide o
muelle de
recuperación
accionado
manualmente
Control combinado,
símbolo general (* =
símbolo explicativo)
Dispositivos auxiliares
Manómetro
Manómetro
diferencial
Indicador de
temperatura
Caudalímetro
Presostato
Sensor de presión
Sensor de
temperatura
Sensor de flujo
Tubo de Pitot
Caudalímetro
integrado
(volumen)
Símbolos especiales
Sensor de
proximidad de
Tobera
transmisora para
Tobera receptora
para cámara de
fluidos
cámara de aire
aire
Abreviat ur as u ti li zadas par a las co nex iones :
A, B, C:
líneas de funcionamiento
P:
conexiones de presión
R, S, T:
drenajes, escapes, purgas, ventilaciones
X, Y, Z:
líneas de control
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10. Anexos y Normas de Seguridad
10.2 Símbolos del d iagrama P + I
Compresor de tornillo
Compresor de pistón
Tubería flexible
Válvula principal de carga
de aire
Separador ciclónico
Controlador
Válvula de bola
Drenaje del condensado
(símbolo general)
Drenaje del condensado
Compensador axial
Microfiltro con indicador diferencial
de presión electrónico
Válvula de retención de
mariposa
Microfiltro con indicador diferencial
de presión
Separador de aceite y
agua
Filtro estéril
Intercambiador de calor
Adsorbedor de carbón activado
Caudalímetro
Secador de membrana con prefiltro
Secador refrigerativo
Secador desecante
Línea de aire comprimido
Depósito de aire
Línea de condensado
Válvula de alivio de presión
Red eléctrica
Brida de prueba
Manómetro de aire
comprimido
Presostato
Sensor de presión
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10. Anexos y Normas de Segu rid ad
10.3 La marca CE
CE = Comunidad Europea
Los productos que tengan esta marca cumplen con los requisitos de las
Directivas de la Unión Europea.
Vigente a partir del primero de enero de 2005.
Apli cac ió n
La marca se puede aplicar a todas las maquinarias sujetas a las Normas Europeas (artículo
1, 97/37/EC) que se introduzcan o utilicen en el mercado de la Unión Europea.
Utilización de acuerdo co n el manual de servicio
Se deben seguir las instrucciones del manual de servicio para aplicar y utilizar el producto
de manera segura (98/37/EEC, anexo I, sección 1.7.4. Manual de servicio). El idioma del
manual
de servicio
ser el delsobre
país donde
se va en
a utilizar
el producto.
Dicho manual
debe contener
las debe
instrucciones
la puesta
marcha,
el mantenimiento,
las
inspecciones, las revisiones de las funciones y las reparaciones, si fuera necesario.
Apli cac ió n d e la marc a
La marca CE debe estar visible y ser indeleble según la Directiva sobre maquinarias
98/37/EC, anexo 1, número 1.7.3.
10.4 Normas g enerales de seguridad
Siempre se debe garantizar una refrigeración adecuada. Se debe cumplir con los requisitos
de instalación del fabricante. No se debe utilizar la maquinaria si hay concentraciones de
gas peligrosas, como venenosas o explosivas, si hay polvo u otras sustancias perjudiciales o
si el equipo produce llamas o chispas. Se debe cumplir con los requisitos de operación,
mantenimiento y servicio del fabricante. Además, cualquier trabajo con la maquinaria debe
llevarlo a cabo el personal capacitado y calificado.
Medidas de prevención c ontra inc endios
Se recomienda que las máquinas superiores a 40 kW o las máquinas múltiples se coloquen
en una sala de compresores especial. El piso, las paredes, el techo y las aberturas de ese
lugar deben ser ignífugas, al menos de clase F30. No se deben instalar materiales
combustibles, como cables eléctricos, debajo del compresor. Se deben reparar las fugas de
combustible.
se deben
a menos de
metrospara
del
compresor. ElNo
conducto
de colocar
escape materiales
del sistemainflamables
de aire refrigerante
quetres
se utiliza
proporcionar aire caliente para el calentamiento de espacios debe estar recubierto con una
solapa protectora contra incendios automática (DIN 4102, parte 6).
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10. Anexos y Normas de Seguridad
10.5 Lista de Norm as
10.5.1 Estándares
Normas europ eas
EN 1012
Requisitos de seguridad para compresores y bombas de vacío
EN 12076
Medición de la emisión de ruidos de los compresores
EN 286 -1
Recipientes a presión simples calentados a fuego diseñados para almacenar aire o nitrógeno.
Parte 1: diseño, fabricación y prueba
EN 292
Seguridad de la maquinaria: conceptos básicos, principios generales de diseño.
Parte 1: terminología y metodología básica
EN 294
Parte 2: principios y especificaciones técnicos
Seguridad de la maquinaria: distancias de seguridad para evitar que las extremidades
superiores estén en contacto con zonas peligrosas
EN 349
Seguridad de la maquinaria: distancias mínimas para evitar que se lastimen las extremidades
del cuerpo humano
EN 378
Requisitos de seguridad y ambientales para los sistemas de refrigeración y bombas de calor.
EN 418
Seguridad de la maquinaria: equipo de detención de emergencia, aspectos funcionales;
principios de diseño
EN 563
Seguridad de para
la maquinaria:
temperaturas
de lasde
superficies
accesibles,
especificaciones
ergonómicas
la determinación
de los límites
temperatura
de las superficies
calientes
EN 626
Seguridad de la maquinaria: principios para que los fabricantes de maquinarias reduzcan los
riesgos para la salud provocado por las sustancias peligrosas que emanan de las máquinas
EN 837 -1
Manómetros. Parte 1: Manómetros de Bourdon, dimensiones, técnicas de medición, requisitos
y pruebas
EN 1127
Seguridad de la maquinaria: fuego y explosión. Parte 1: prevención y protección contra
explosivos
EN 31688
Práctica recomendada en diseño. Maquinaria de bajo ruido
EN 50014
Componentes eléctricos para atmósferas potencialmente explosivas, reglas generales
EN 50082 -2
Compatibilidad electromagnética, inmunidad genérica. Parte 2: entorno industrial
EN 50099 -1
Seguridad de la maquinaria: principios básicos de los indicadores, controles (ajuste) e
identificación. Parte 1: señales visuales, auditivas y táctiles
ENV 1070
Seguridad de la maquinaria: terminología
EN 953
Seguridad de la maquinaria: requisitos generales de diseño y construcción de dispositivos de
aislamiento
EN 60204 -1
Seguridad
generales. de la maquinaria: equipo eléctrico de las maquinarias. Parte 1: requisitos
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10. Anexos y Normas de Seguridad
Normas internacionales
ISO 1217:1999 Pruebas de aceptación para compresores de desplazamiento positivo
anexo B: libre entrega de aire en la unidad de aire
anexo C: libre entrega de aire de toda la máquina
ISO 7183
Secadores de aire comprimido: especificación y medición
ISO 8573
Utilización general del aire comprimido (clases de contaminación y calidad)
ISO 3266
Pernos de argolla para levantamientos generales intencionados
ISO 3457
Maquinaria para movimientos de tierra: dispositivos de seguridad y cubierta
protectora, definiciones y especificaciones
ISO 3864
ISO 3857
Colores y signos de seguridad
Compresores, herramientas neumáticas y máquinas: vocabulario. Parte 1:
general. Parte 2: compresores
ISO 4126
Válvulas de alivio de presión. P arte 1: requisitos generales
ISO 6743-3
Lubricantes, aceites industriales y productos relacionados (clase L), clasificación
parte 3A: familia D (compresores)
parte 3B: familia D (compresores de gas y de refrigerante)
ISO 7000
Símbolos gráficos para la utilización en equipos, índices y sinopsis
IEC 417
Símbolos
para
utilización
en equipos, lista de términos,
esquema gráficos
y resumen
delahojas
individuales
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10. Anexos y Normas de Seguridad
Normas nacio nales alemanas
DIN 1945
Pruebas de aceptación para compresores de desplazamiento positivo
DIN 1952
Normas de medición del flujo
DIN 45635
Medición del ruido
DIN 2481
Planta de generación térmica
DIN 43903
Humedad del aire comprimido
DIN 51506
Aceites lubricantes para compresores
DIN 3188
Aire comprimido para aparato de respiración
DIN 13260
Sistema de abastecimiento de gases medicinales
DIN 43668
Llaves para celdas o puertas de gabinetes de equipos eléctricos
DIN 2403
Identificación de tubos de aire comprimido
VDE 0100
Reglamentación para la construcción de centrales de energía con
tensiones nominales superiores a los 1.000 voltios.
VDE 0105
Normas para la operación de una central eléctrica
10.5.2
Instrucciones
VDI 2040/41
Normas básicas para las mediciones de flujos
VDI 2045
Pruebas de aceptación y funcionamiento
VDMA 4362
Definición de la entrega (caudal de volumen) de compresores de pistón
pequeños de hasta 2 m³/min.
VDMA
Recomendación para la calidad del aire comprimido en la industria
alimenticia, clases generales
97/23/EG
Directiva sobre equipos a presión
89/392/EEC
Directiva sobre maquinaria
Anexo II A: declaración de conformidad
Anexo II B: declaración del fabricante
73/23/EWG
Directiva sobre baja tensión
84/404/EWG
Directiva para recipientes a presión simples calentados a fuego
89/336/EWG
Directiva para compatibilidad electromagnética
84/533/EWG
Niveles sonoros permitidos para los compresores accionados por motores
de combustión interna
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10. Anexos y Normas de Seguridad
10.5.3
Recomendacion es (Pneuro p)
PN 8 NT C 2.3
Medición de la emisión de ruidos de los compresores y bombas de vacío.
10.5.4
Normas
BGV A3
Normas de seguridad de las asociaciones comerciales de dispositivos
eléctricos y materiales de trabajo.
BGR 500
Utilización de materiales de trabajo, parte 2.11, compresores y bombas de
vacío.
VBG 20
Sistemas de refrigeración, bombas de calor y sistemas de enfriamiento.
BSV
TRB
Decreto sobre la seguridad operacional.
Normas técnicas para recipientes a presión (producto de más de 1.000
presión/volumen y tanques especiales)
GSG(V)
Leyes y decretos sobre la seguridad de los dispositivos.
BlmSchV
Regulaciones de las leyes federales de protección contra emisiones.
WHG
Normas del organismo de obras hidráulicas
10.5.5
Asociaciones
PNEUROP
Comité Europeo de Fabricantes de Compresores, Bombas de Vacío y
Herramientas Neumáticas (European Commitee of Manufacturers of
Compressors, Vacuum Pumps and Pneumatic Tools)
CAGI
Instituto de Gas y Aire Comprimido de los Estados Unidos (Compressed Air and
Gas Institute USA)
VDMA
Federación Alemana de Ingeniería (German Engineering Federation)
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10. Anexos y Normas d e Seguridad
10.6 Estaciones compr esor as qu e cumplen co n la Directiva
de Equ ipos a Presión 97/23/EC
¿Qué es lo que reglamenta la directiva?
La DEP (Directiva de Equipos a Presión) reglamenta la intr oducci ón en el mercado de
equip os a pr esión y ha estado en vi genc ia desde el 29/05/2002.
La nueva DEP se aplica a dispositivos que poseen una presión operativa máxima admisible
mayor que 0,5 bar. Los elementos de un equipo a presión incluyen receptores de aire,
tuberías, componentes con funciones de seguridad, accesorios de presión y compresores
que están contemplados por la aplicación de la DEP . En los casos en que se apliquen los
“fundamentos para la exclusión”, los dispositivos no estarán cubiertos por la DEP sino por la
Directiva de Máquinas o las Reglamentaciones para Depósitos de Presión.
La directiva solamente determina requisitos de calidad y composición para equipos a
presión; los requisitos operativos están cubiertos por las reglamentaciones de cada país.
Los productos KAESER que no están cubiertos por la DEP serán entregados junto
con la Declaración del Fabricante relativa a la aplicación de la DEP y la Declaración
de Conformidad CE según lo estipulado por la Directiva de Máquinas EC 98/37/EC,
anexo II B.
Los productos KAESER para los cuales sí se aplica la DEP serán entregados junto
con la Declaración de Conformidad CE según lo estipulado por la DEP y la Directiva
de máquinas.
Se considera que la estación compresora es un montaje contemplado por la DEP cuando
lleva por lo menos dos componentes que se clasifican como equipo de presión de categoría
1 y que se conectan de tal manera que forman una unidad de funcionamiento.
Cuando un sistema de suministro de aire constituye un montaje de ese tipo (contemplado
por la DEP ), el fabricante debe emitir una Declaración de Conformidad CE.
El fabricante es la entidad que conectó los componentes para formar el montaje. Según esta
definición, al comerciante que instala componentes para formar un sistema se lo conoce
como fabricante.
¡Atención! Esto no se aplica a un usuario que instala componentes él mismo para
formar su propio sistema. Los usuarios que realizan sus propios montajes no son
fabricantes según lo estip ulado por la DEP, por lo tanto no se aplica. (Hacer un montaje
o instalar significa conectar componentes para formar una unidad de funcionamiento)
Los siguientes son factores de especial consideración en el momento de planear un sistema
de aire:
Presión máxima posible.
Equipo de presión y categoría.
¿Se incluyen más de dos equipos de presión? Si es así, se considera que el sistema
es un montaje contemplado por la DEP y debe tener certificado CE.
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10. Anexos y Reglamentacio nes de Segurid ad
10.7 Ordenanza sob re Segurid ad y Salud Industrial
La ordenanza se aplica a todos los depósi tos de pr esión que entraron en
fun cio namiento desde el 01.01.03.
La ordenanza (BSV) reemplaza a la Ordenanza para Depósitos de Presión.
Alcance de validez: comisión, operación e inspecciones reiteradas.
El usuario debe llevar a cabo una evaluación de riesgos y una evaluación de
reglamentaciones de seguridad de sus depósitos de presión. Antecedentes: BSV es parte de
la Ley de Protección en el Trabajo.
Procedimiento práctico: el usuario deposita la responsabilidad en su funcionario de
seguridad,
quien (ver
conoce
la Ley
de Protección
Trabajo.elEl
funcionario
de seguridad
realiza un cuadro
anexo,
página
4) en la cualenseelincluyen
tanque
separador
de aceite
y el receptor de aire junto con una sugerencia de inspecciones reiteradas. Se obtiene
información de los documentos (declaración de conformidad, instrucciones operativas) que
acompañan a estos depósitos (calidad documentada). Los máximos intervalos son:
inspección interna cada 5 años e inspección de resistencia cada 10 años. Son de decisiva
importancia los niveles de seguridad con los cuales se fabricaron los depósitos y la magnitud
de las influencias operativas (condiciones, instalación, etc.). Según el producto de la presión
y el volumen, el usuario debe contratar una entidad aprobada o una persona calificada que
lleve a cabo la inspección de comisión y que determine los intervalos de inspecciones
reiteradas.
Quién
puede
hacer cada cosa:
Antes de
comisionar:
PS x V £ 200 – persona calificada (con antelación, un técnico especialista).
PS x V > 200 – entidad autorizada (ej. TÜV) con la excepción de los depósitos de presión
con aceptación ZUA (listos para usar equipo).
PS x V £ 1000 – no hay inspección de comisión (ver excepciones en 3.)
Inspecciones reiteradas:
PS x V £ 1000 – persona calificada
PS x V > 1000 – entidad autorizada
El espectro de BSV no abarca las líneas de aire comprimido. El usuario debe registrar los
depósitos de alta presión con la autoridad responsable dentro de los 6 meses pasada la
comisión. Hay formularios para este propósito.
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10. Anexos y Reglamentacio nes de Segurid ad
Los intervalos máximos de 5 años para la inspección interna y 10 años para la inspección de
resistencia sólo se aplican si los niveles de seguridad para el diseño del depósito, la
fabricación y la realización de pruebas son equivalentes a las reglamentaciones alemanas
AD 2000. Se debe confirmar este nivel de calidad mediante la documentación del depósito.
Los proveedores de Kaeser están sujetos a estas normas de calidad y, por lo tanto, los
depósitos de presión de Kaeser pueden ser sometidos a intervalos máximos de inspección,
siempre y cuando las circunstancias de operación no exijan que se acorten.
Inspección de Depósitos de Presión según la Ordenanza sobre
Seguridad y Salud Industrial
Inspección p revia a la comisi ón §14
1.
Equipo de presión según el diagrama 2:
- Entidad supervisora aprobada
PS >1 bar: Cat. II, III
Cat. IV
- P ersona capacitada
Cat. I
PS <1 bar: Cat. II, III
2.
Depósitos de presión simples según 87/404/EEC
- Entidad supervisora aprobada
PS x V > 200 bar x l
- P ersona capacitada
PS x V £ 200 bar x l
- Sin inspección previa a la comisión
PS x V £ 50 bar x l
PS =presión máxima admisible
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10. Anexos y Reglamentacio nes de Seguridad
3. Excepción
- P ersona capacitada
PS x V < 1000 bar x l, si el compresor es aprobado por tipo (número de ZUA)
- No es necesaria la inspección previa a la comisión en el caso de los compresores portátiles
aprobados por tipo para los cuales no se aplican requerimientos especiales.
Inspección reiterada §15
1.
Determinación de los in tervalos de inspección
Dentro de los 6 meses de la inspección de comisión, el usuario debe informar a la autoridad
supervisora comercial acerca del intervalo de inspección que ha sido confirmado por la
entidad supervisora aprobada junto con datos específicos del equipo.
- El usuario determina el intervalo de inspección en base a una evaluación de seguridad
respaldada por la documentación provista por el fabricante.
- Los intervalos máximos de inspección son de 5 años para la inspección interna y de 10
años para la inspección de resistencia.
2.
Equipo de p resión según el diagrama 2:
- Entidad supervisora aprobada
- PS > 1 bar: Cat. III
- Cat. IV
- P ersona capacitada
- Cat. I, II
- PS £ 1 bar: Cat. III
PS =presión máxima admisible
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10. Anexos y Reglam entaci on es d e Segu ri dad
3. Depósitos de presión simples según 87 /404 /EWG
- P unto de monitoreo autorizado PS x V > 1000 bar x l
- Persona capacitada PS x V <1000 bar x l
Diagrama 2
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10. Anexos y Regulaciones de Seguridad
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