Embed Size (px)
DESCRIPTION
Explica funcionamiento de equipos de aire.... y la ventaja para ahorro en energia
Citation preview
AHORRO DE ENERGIA EN AIRE COMPRIMIDO
Primer compresor industrial fue una maquina sencilla reciprocante la cual era accionada por una rueda de agua.
Introducción
El aire comprimido se utiliza extensamente en la industria.Se considera la "cuarta utilidad" en muchas instalaciones. Utiliza más electricidad que cualquier otro equipo.
Presión Una Atmósfera es la presión que existe al nivel de mar, es igual a:
0.03027Pies de Aguaft Agua0.00246Pulgada de Agua a 4 Cplg Agua0.09930Metro de Aguam Agua1.01325Barbar1.03323kilogramo / centímetro cuadradokg/cm2
760mm de Mercuriomm Hg101,325PascalPa14.69595Libra/pulgada cuadradaPSI
1AtmósferaAtm
ACFM – Flujo absoluto de aire medido en la admisión del compresor a las condiciones de la localidad.
ICFM – Flujo en CFM a traves del filtro de succion o valvula de admision bajo condiciones medidas
FAD – Entrega de aire libre – igual a ACFM.
SCFM – Flujo standard de aire libre medido y convertido a condiciones de referencia Standard:
14.5 PSIA, 68 °F (20 C), y 0 % humedad relativa.
NOTA: A condiciones standard los valores de ACFM, ICFM y SCFM son iguales.
Flujo o Capacidad
DefinicionesPresión Absoluta – La suma de las presiones del medidor y atmosferica (100 psi + 14.5 psi = 114.5 psia “absoluta”)
Relación de Compresión – La relacion de la presion de descarga absoluta a la presion de admision absoluta (100 psi + 14.5 psi) / 14.5 psi = relacion 7.9)
Humedad Relativa – La relacion de la presión parcial de vapor de agua en una mezcla de aire/agua con la presión de vapor saturado a la temperatura de bulbo seco, en porcentaje (%).
Ejemplo Relación de CompresiónRelación de Compresión = Presión de Descarga Absoluta
Presión de Succión AbsolutaRecuerda: Presión de Descarga Absoluta = Presión de Descarga
de manómetro + Presión Barométrica (psi)Ejemplo:
14.5 psi Presión Succión100 psi Presión Descarga
• Relación de Compresión = (14.5 + 100) / 14.5 = relación 7.9
A
14.5 LPCA @Nivel del mar
B100 LPCM
114.5 LPCA @ nivel del mar
Nota: Caja “B” es 7.9 veces mas pequeña que la “A”.
Para pasar de condiciones Standart a condiciones de operación o viceversa se utilizan las relaciones de gas ideal:
2
22
1
11
TVP
TVP
=
Condiciones Standart, 25°C (77°F), 1 Atm (14.7 Psia)
V depende del equipo son los CFM
2
22
1
11
TVP
TVP
=
Ejemplo Condiciones de Operación en Sitio, 26°C (79°F), 0.722 Atm (10.61 Psia)
Condiciones Standart, 25°C (77°F), 1 Atm (14.7 Psia)
Calculé ACFM si el dato estándar en 1000 SCFM y la temperatura 20°C
Ojo, las temperaturas son absolutas T = T°C + 273.15
12
1221 PT
TVPV =
2
22
1
11
TVP
TVP
=
Ejemplo Condiciones de Operación en Sitio,
Temperatura 30°CCalcule la Presión requerida ____ psiPresión atmosférica 10.6 psiFlujo Requerido 500 CFM
Condiciones Estándar, 25°C (77°F), Presión Estándar nominal 110 psiPresión atmosférica 14.7 psiFlujo Requerido 500 CFM
21
1221 TV
TVPP =
Es la medición de la potencia en caballos de fuerza tomada en el eje de entrada del compresor.
La mayoría de fabricantes de compresores utilizan como factor de servicio 1.10 a 1.25 veces la potencia nominal de placa del motor eléctrico.
De tal forma que un compresor con un motor eléctrico, cuya placa indica 50 HP; esta capacitado para entregar de 55 BHP a 62.5 BHP.
Potencia al Freno (BHP)
AIRE COMPRIMIDO
La Demanda de Aire típicamente se distribuye de la siguiente manera:
Componentes de Demanda
Producción50%
Fugas25%
DemandaArtificial
15%
UsosInapropiados
10%
AIRE COMPRIMIDO
AIRE COMPRIMIDO
Un sistema de aire comprimido correctamente diseñado
Es EFICIENTEGenera ahorro de energía, Requiere menor mantenimiento, Disminuyen los tiempos muertos, Aumenta el rendimiento de la producción, y mejora la calidad del producto.
AIRE COMPRIMIDO
Los sistemas de aire comprimido se pueden:
Dividir en dos subsistemas:
“La Generación”, Incluye los compresores, almacenamiento y el tratamiento del aire,
La Demanda de aire, Incluye el sistema de distribución y los equipos de uso final.
AIRE COMPRIMIDO
Usos de Aire Comprimido
Las instalaciones industriales utilizan el aire comprimido para múltiples aplicaciones.
Estos pueden ser
ControlesHerramientas neumáticas, Equipos de automatizaciónEmpacadorasTrasportadoras, etc.
AIRE COMPRIMIDO
Aplicaciones del Aire Comprimido en la Industria
Industria Ejemplos de Uso de Aire Ropa Transportadores, herramientas, controles y actuadores, equipo automático
Automotriz Herramientas, estampado, pintura, control y actuadores, formado, transportación Química Transportadores, controles y actuadores
Alimenticia Deshidratación, embotellado, controles y actuadores, trasportadores, limpieza, empacada al vació, rociado
Mueblerías Accionar pistones, herramientas, ensamblado, rociado, pintura, controles y actuadores Manufactura en General Ensamblado, estampado, herramientas, limpieza, controles y actuadores
Madera Aserraderos, elevadores, tratamiento a presión, controles y actuadores Fabricación de Metales Ensamblado, herramientas, controles y actuadores, inyección y moldeo, rociado
Petróleo Proceso de compresión de gas, controles y actuadores Metales Primarios Fundidores al vació, controladores y actuadores, elevadores
Papelera Transportadores, controles y actuadores Plástico Herramientas, ensamblado, controles y actuadores, formado, maquinas de inyección
Vidrio Transportadores, doblado, mezclado, controles y actuadores, soplado y moldeado de vidrio, enfriamiento
Textil Agitación, transportadores, equipo automático, controles y actuadores, texturizado, hiladoras, tejedoras
El aire comprimido también juega un rol vital en muchos otros sectores fuera de la industria, tal es el caso de la agricultura, minería, generación de potencia, transportación, etc. Algunos ejemplos se presentan en la siguiente tabla.
Sector Ejemplos de Uso de Aire
Agricultura Equipo de granja, manejo de materiales, rociado de cultivos, maquinaria extracción de leche
Minería Herramientas, elevadores, bombas, controles y actuadores Generación de Energía Arrancadores de turbina de gas, control automático, controles de emisiones
Servicios Herramientas, elevadores, sistemas de frenos de aire, sistemas de respiración Transportación Herramientas, elevadores, sistemas de frenos de aire
Tratamiento de Agua Filtros de vació, transportadores Otros Usuarios Parques, Cines, Hoteles, Clubs, Talleres, Acuarios, etc.
AIRE COMPRIMIDO
Componentes de un Sistema de Aire Comprimido
Tipos de Compresores
Compresores
Desplazamiento Positivo Dinámicos
Centrífugos Axiales Reciprocantes Rotatorios
Simple Efecto
Doble Efecto
Tornillo Helicoidal
Anillo Líquido
Paletas Deslizantes
Lóbulos
Diafragma
AIRE COMPRIMIDO
Desplazamiento Positivo
Volúmenes sucesivos de gas se confinan dentro de un espacio cerrado y se elevan a presiones mayores, pueden ser del tipo alternativo o bien de tipo rotatorio.
Este tipo de máquinas pueden producir la compresión de gas libre de aceite o no, dependiendo del diseño del compresor.
Son compresores alternativos de desplazamiento positivo.
Un pistón o émbolo con movimiento reciprocante dentro de un cilindro, comprime y desaloja al gas.
Pueden construirse de simple o doble efecto y con pistones lubricados o no lubricados.
Reciprocantes:
AIRE COMPRIMIDO
Desplazamiento Positivo
Las etapas son los pasos de compresión,
El aire ambiente puede llevarse a presiones elevadas en una o varias etapas.
El número de acciones son las secciones de compresión.
Los compresores de una sola etapa y de acción simple, pueden estar construidos de un solo pistón o de varios pistones, pero todos los pistones son del mismo tamaño y tienen la misma carrera.
Compresores de una sola etapa y acción simple:
AIRE COMPRIMIDO
Desplazamiento Positivo
AIRE COMPRIMIDO
Desplazamiento Positivo
Compresores de varias etapas y acción simple:
El compresor de varias etapas puede estar construido de uno o varios cilindros de baja presión con uno o varios cilindros de alta presión.
También se pueden construir con múltiple etapas y múltiples cilindros por etapa.
Los compresores de doble acción, son muy similares en construcción a los de simple acción, tienen la ventaja que en una sola vuelta del cigüeñal, el pistón comprime por ambos extremos del pistón.
Compresores de doble acción:
AIRE COMPRIMIDO
Desplazamiento Positivo
Los compresores de diafragma son máquinas de desplazamiento positivo que utilizan un diafragma para realizar el proceso de compresión del gas.
El accionamiento del diafragma puede realizarse por medio de acción mecánica, hidráulica o neumática.
Diafragma:
AIRE COMPRIMIDO
Desplazamiento Positivo
Son máquinas en las que la compresión y el desplazamiento se efectúan por la acción positiva de elementos rotatorios.
En lo general, estas máquinas se pueden encontrar con uno o dos rotores.
Rotatorio
AIRE COMPRIMIDO
Un conjunto de paletas axiales se deslizan radialmente en un rotor montado excéntricamente dentro de una carcaza cilíndrica.
Son máquinas de tamaño reducido. El gas atrapado entre las paletas se comprime y posteriormente se desaloja.
Paletas Deslizantes:
AIRE COMPRIMIDO
Desplazamiento Positivo
Dos (o tres) impulsores rectos de forma lobular (de “8”) atrapan al gas llevándolo de la admisión a la descarga.
Durante el giro de los rotores no hay compresión o reducción en el volumen del gas.
Los impulsores sólo mueven el gas de la admisión a la descarga. La compresión se efectúa por contraflujo de la línea de descarga a la carcaza en el momento en que se abre el puerto de descarga.
Lóbulos:
AIRE COMPRIMIDO
Desplazamiento Positivo
Dos rotores engranados de forma helicoidal asimétrico, comprimen y desplazan el gas desde el puerto de succión hasta la descarga en el otro extremo del compresor.
Pueden producir gases exentos de aceite, o utilizar el aceite para lubricar, sellar y enfriar la máquina.
Tornillo:
AIRE COMPRIMIDO
Desplazamiento Positivo
Los compresores de pistón liquido son máquinas rotatorias de desplazamiento positivo en las cuales se utiliza agua o algún otro liquido como pistón para comprimir y desalojar el gas que se está manejando.
La producción del gas comprimido se logra mediante la acción del liquido contenido en la carcaza que al ser movido por un rotor excéntrico de aspas fijas proyecta el fluido a la periferia, formándose cámaras de compresión similares a las del compresor de paletas deslizantes.
NO ES MUY UTILIZADO
Anillo Líquido:
AIRE COMPRIMIDO
Desplazamiento Positivo
Son máquinas de flujo continuo en las cuales el giro veloz de un elemento rotatorio acelera el gas conforme pasa a través del elemento convirtiendo la carga de velocidad en presión, parcialmente en el elemento rotatorio (rotor) y parcialmente en difusores o álabes estacionarios.
Son máquinas volumétricas, la capacidad del compresor puede ajustarse de diversas maneras, como puede ser el ajuste de álabes guía en la entrada, el estrangulamiento en la succión, o el estrangulamiento en la descarga
Compresores Dinámicos
AIRE COMPRIMIDO
Son máquinas en las cuales uno o más impulsores rotatorios aceleran el gas.
El flujo es radial y la ganancia de presión se da tanto por el efecto de conversión de velocidad en presión, como por el efecto centrífugo al pasar el gas de una posición radial a otra.
Son ampliamente utilizados, sobretodo en refrigeración, ya que con ellos se pueden obtener presiones elevadas junto con gastos significativamente más altos
Además de que el flujo no presenta la intermitencia de los reciprocantes.
Compresores Centrífugos:
AIRE COMPRIMIDO
Dinámicos
AIRE COMPRIMIDODinámicos
Entrada del aire
El aire es comprimido por el 1er paso del compresor
El calor y condensado esremovido en el 1er intercambiador de calor
El aire vuelve a ser comprimido en el 2o pasodel compresor
Nuevamente el calor y condensado son removidos
El aire escomprimido a supresion final en 3er paso
Salida del aire al postenfriador y aire de planta
La aceleración del gas se obtiene por la acción de un rotor, con el flujo a través de la máquina en la dirección del eje de giro.
La elevación de presión se logra exclusivamente mediante el cambio de velocidad a presión,
Las elevaciones de presión son más pequeñas que la que se logra en un compresor radial,
La capacidad de flujo es mucho mayor.
Axiales:
AIRE COMPRIMIDO
Dinámicos
AIRE COMPRIMIDO
Ventajas y desventajas de cada tipo de compresor
Compresor Reciprocante, Simple Efecto
Ventajas:
• Compactos y bajo peso,• Generalmente se pueden localizar cerca del punto de uso, evitando asícaídas de presión,• Procedimientos de mantenimiento sencillos,• No requiere sistema de enfriamiento separado.
Desventajas:
• Más partes en movimiento tales como pistón, anillos, etc.,• Mayor desgaste en consecuencia mayor perdida de eficiencia,• Relativamente alto nivel de ruido,• Alto costo de compresión,• Generalmente están diseñados para trabajar el 50% del tiempo y algunas v hasta el 80%,• Operan en un rango de baja eficiencia.
Eficiencia de Operación: 22 a 24 kW/100 CFM(29.5) a (32.2) HP/100 CFM
AIRE COMPRIMIDO
Ventajas y desventajas
Compresor Reciprocante, Doble Efecto, Enfriado por Agua
Ventajas:
• Compresión eficiente, particularmente en compresores multietapas,• Controles de capacidad de varios pasos (0-50-100)% de Capacidad
o (0-25-50-75-100)% de Capacidad, permitiendo una operación eficiente aún a cargas parciales,
Desventajas:
• Alto costo inicial,• Requerimientos de mayor espacio,• Altas vibraciones requieren de una buena cimentación,• El paquete compresor, sistema de enfriamiento, arrancadores se venden por separado, en raras ocasiones se venden el paquete completo,• Los procedimientos de reparación requieren de cierto nivel de entrenamiento y habilidades.• Alto costo de mantenimiento y refaccionamiento.
Eficiencia de Operación: 15 a 17 kW/100 CFM20.1 a 22.8 HP/100 CFM
AIRE COMPRIMIDO
Compresores Tornillo, Lubricados
Ventajas:
• Tamaño compacto y paquete completo,• Bajo costo inicial,• Libre de vibraciones no requieren cimentación ni anclajes especiales,• Existen diferentes tipos de sistemas de control para regular la capacidad,• Las rutinas de mantenimiento incluyen el cambio de lubricantes y filtros.
Desventajas:
• El Aire de descarga lleva cierta cantidad de lubricante por lo tanto se requiere de un mantenimiento adecuado en el separador de aire/lubricante.
Eficiencia de operación:
15 a 19 kW/100 cfm, una etapa 20.1 a 25.5 HP/100 CFM15 a 17 kW/100 cfm, dos etapas 20.1 a 22.8 HP/100 CFM
AIRE COMPRIMIDO
Compresores Tornillo, Exentos de Lubricante (Aceite)
Ventajas:
• Paquete completo,• Diseñados para entregar el aire libre de aceite,• No requieren cimentación especial.
Desventajas:
• Menor eficiencia que un compresor lubricado,• Significativamente más costosos que tornillos lubricados,• Costos más altos de mantenimiento y menor tiempo de vida que un lubricado.
Eficiencia de Operación: 18 a 22 kW/100 cfm
24.1 a 29.5 HP/100 CFM
AIRE COMPRIMIDO
Compresores Centrífugos
Ventajas:• Paquetes completos en capacidades mayores de 200 Hp,• El costo inicial en función de $/CFM se reduce a medida que se incrementa la capacidad,• Diseñado para entregar aire libre de aceite y requerimientos grandes de aire• No requieren de una cimentación especial, aunque si debe estar bien nivelada,• Como no hay desgaste en los elementos de compresión la vida del compresor es bastante elevada.
Desventajas:• Control de la capacidad muy limitada, normalmente cuando los requerimientos de aire se reducen el compresor se va a descarga, y trabaja en vació.
• Altas velocidades de rotación para lo cual se requiere de rodamientos o baleros especiales y un sofisticado monitoreo de vibraciones.
• Mantenimiento especializado
Eficiencia de Operación: 16 a 20 kW/100 cfm de 21.4 a 26.8 HP/100 CFM
Analizar las Necesidades de Aire Comprimido
Se requiere comprar un compresor?
Algunas buenas preguntas
•¿Para qué se utiliza el aire?
•¿En cuantos lugares de trabajo?
•¿Qué tan lejos?
•¿Cuál es la carga de cada día, de un turno al siguiente?
•¿Se puede tolerar cierta cantidad de agua y/o aceite en el aire que se utiliza?
•¿Cuál es la naturaleza del aire que se admite: relativamente limpio o sucio?
•¿A que altitud está la planta?
Analizar las Necesidades de Aire Comprimido
Algunas preguntas
•¿Cuál es el costo de la energía?
•¿Se tiene espacio suficiente para el compresor?
•¿Existen limitaciones en cuanto a cimientos o límites de vibración?
•¿Existen limitaciones específicas en cuanto a niveles de ruido?
•¿Se necesitan una o varias unidades?
•¿Se necesitará más aire dentro de un año o dos?
•¿Qué es más importante cuánto vale o cuánto cuesta la operación?
Calidad Del Aire
Calidad AplicacionesAire de Planta Herramientas, Aire general de la planta.
Aire de Instrumentos Laboratorios, rociado de pintura.
Aire de Procesos Procesos de Alimentos, Farmacéuticos, Electrónicas.
Aire de Respiración Sistemas y Equipos de Hospital, Estaciones de llenado para buceo, respiradores.
AIRE COMPRIMIDO
A mayor calidad del aire
Mayor es el costo mismo, se incrementa la inversión se requieren equipos adicionales, se incrementa el costo de operación
tanto en mantenimiento y consumo de energía.
La calidad es la pureza del aire entregado
Libre de aceiteLibre de humedadLibre de partículas
Se debe definir: sí se requiere o no el aire libre de aceite.
El aire libre de aceite se puede producir con compresores exentos de lubricante.
Los compresores tornillo y reciprocantes exentos de lubricante,
son más costosos desde la inversión inicial, son menos eficientes requieren mayor mantenimiento y su vida útil es menor que los lubricados.
Cantidad de Aire Requerido
La capacidad del sistema se determina sumando los requerimientos de herramientas y operaciones del proceso (considerando los factores de carga correspondientes).
El total de aire requerido NO es la suma de los requerimientos máximos, sino la suma del consumo promedio de cada uno.
La cantidad de aire se expresa en unidades volumétricas por tiempo: pies cúbicos por minuto (CFM)
metros cúbicos por minuto
1 metro cúbico = 35.31467 pies cúbicos
La capacidad del sistema se determina con un análisis, como el siguienteRequerimientos de aire (scfm) @ 90 psig
Tipo de Herramienta Ubicación Número Factor de Carga
(%)Por
Herramienta Total Esperado
Taladro Ensamblado 10 15 35 350 53Pulidora Terminado 15 20 50 750 150
Desatornillador mediano Ensamblado 20 10 12 240 24
Desatornillador grande Ensamblado 10 14 30 300 42
Remachadora Ensamblado 5 10 35 175 18Elevador Limpieza 1 5 35 35 2Cortadora Limpieza 6 20 30 180 36
AIRE COMPRIMIDO
Perfil de la carga de aire
Deben considerarse pérdidas de presión debido a los secadores, separadores, filtros, y el sistema distribución en función del diámetro, material y recorrido.
Una regla para sistemas que trabajan a 100 psi es
2 psi de aumento = 1% incremento consumo energía
considerando que el compresor entrega plena carga.
Otra desventaja es cuando se suministra a una presión más alta que la necesaria.
El compresor tiene que incrementar la presión de la descarga y en consecuencia se incrementa la demanda de cada uso no regulado, incluyendo fugas, soplado abierto, etc.
AIRE COMPRIMIDO
Presión
AIRE COMPRIMIDO
Se define como el exceso de volumen de aire, requerido por usuarios NO regulados debido al suministro de aire a una presión mayor que la requerida.
La aplicación de controles de Flujo/Presión puede ayudar a reducir al mínimo la demanda artificial
Demanda Artificial
Ejemplo: demanda de aire y presiones que registra el sistema durante un periodo de 30 minutos.
AIRE COMPRIMIDO
El objetivo del sistema de distribución es llevar el aire comprimido a los usuarios finales.
Lo que debe realizarse con una caída de presión mínima.
El sistema requiere, tomar en cuenta la posibilidad de expansión futura, que incide principalmente en el dimensionamiento de los cabezales de distribución y el tanque de almacenamiento.
AIRE COMPRIMIDO
Tipos de Sistemas de Distribución de Aire Comprimido
A partir del cabezal principal se generan los ramales secundarios hacia los distintos puntos de consumo.
Como desventaja inherente, está el desbalanceo de la carga que causa una mala distribución de aire. La caída total de presión del sistema se determina tomando en cuenta el punto más alejado de consumo.
AIRE COMPRIMIDO
Sistema de distribución ramificado.
Para el suministro de aire a los usuarios finales se utiliza uno o varios lazos cerrados, se garantiza que la presión en los diversos puntos de consumo seráuniforme en cualquier condición de carga del sistema, al provenir el aire para cada equipo o herramienta desde dos puntos.
AIRE COMPRIMIDO
Sistema de distribución en anillo
Es un circuito cerrado que permite trabajar en cualquier sitio con aire, mediante las conexiones longitudinales y transversales.
Ciertas tuberías de aire comprimido pueden ser bloqueadas mediante válvulas de cierre si no se necesitan o si hay que separarlas para efectuar reparaciones y trabajos de mantenimiento.
AIRE COMPRIMIDO
Red cerrada con interconexiones
Son las interconexiones entre la Línea Principal de Distribución y las Líneas de Servicio.
Se recomienda que la caída de presión en las Líneas Secundarias de Distribución no sea superior a 1.5 Psig.
Así como dotarlas de una inclinación 0.5° en la dirección del flujo y patas de drenaje en cada levantamiento.
AIRE COMPRIMIDO
Líneas secundarias de distribución
Son las tuberías que interconectan las herramientas, actuadores o los dispositivos que utilizan el aire comprimido, con las Líneas Secundarias.
Estas son las últimas secciones de la instalación de una red de distribución de aire comprimido. Deben ser lo más cortas posibles y se recomiendan que sean conectas por la parte superior a las Líneas Secundarias de Distribución.
Se recomienda que la caída de presión en estas líneas no sea superior a 2 Psig,
AIRE COMPRIMIDO
Líneas de servicio
En una red de distribución de 100 Psig, dispuesta de manera optima, no deberáexistir una caída de presión superior de (10%) entre el compresor y el punto de utilización más lejano.
AIRE COMPRIMIDO
El diseño del sistema de distribución requiere, tomar en cuenta la posibilidad de expansión futura.
Las tuberías horizontales deberán contar con una ligera pendiente aguas abajo para facilitar el desalojo de agua, contando además con trampas para la purga del sistema;
Las tomas de aire en tuberías verticales que descienden, deberá hacerse por la parte superior.
Se debe garantizar que el sistema en general produce una buena distribución de aire, independientemente de si todos los usuarios finales demandan aire o no.
AIRE COMPRIMIDO
Las pérdidas de presión en tuberías se determinan mediante la ecuación
hL = perdida de carga (m),D = es el diámetro de la tubería (m), L = longitud de la tubería (m),v= velocidad del fluido (m/s), g = aceleración de la gravedad (m/s2),hf /L es la caída de presión por unidad de longitud.f = factor de fricción depende del material (adimensional),
25
22
LgD
fLQ8Dg2
fLvhπ
==5/1
2
2
/8
⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡=
LhgQfD
fπ
Materiales para Tuberías
Cobre Tubo de acero negroAcero galvanizadoAluminioPlástico
Las tuberías se deben desarmar fácilmente, ser resistentes a la corrosión y de precio adecuado.
Textura de la tubería
• La textura en el interior de las tuberías produce fricción en el flujo del aire causando perdidas de presión en la línea.
• Superficies ásperas causan mayor turbulencia en el flujo del aire y mayor pérdida en la línea.
• Lo mejor sería utilizar superficies lisas en el interiorde la tubería y conectores libres de restricciones especialmente diseñados para generar un flujo laminar.
El aluminio puede ser el mejor material. Pero el mas caro también.
Aluminio
Tubo de Acero Negro vs Aluminio
AIRE COMPRIMIDO
Tratamiento del aire comprimido
El aire comprimido al ser enfriado condensa la humedad ambiente, al llegar al punto de roció del vapor de agua pasa a la fase líquida.
Este condensado sí no se elimina, es el causante de cuantiosas pérdidas económicas:
• Corrosión en las tuberías y electroválvulas.
• Comportamiento erráticos de elementos de control y actuadores en sistemas de automatización neumática.
• Emulsificación y degradación de lubricantes.
• Acabado defectuoso de superficies pintadas con aire comprimido.
• Daños irreversibles en herramientas neumáticas.
AIRE COMPRIMIDO
Tratamiento del aire comprimido
El aire comprimido, antes de ser distribuido a la red, debe haberse secado hasta un punto de rocío que sea inferior a la temperatura del aire ambiente en donde se utiliza.
Secadores:
AIRE COMPRIMIDO
Tratamiento del aire comprimido
Proporcionan las siguientes ventajas:Secadores:
• Reducción del costo de la instalación de la red de distribución, hasta en un 30% al no necesitarse dispositivos de eliminación de agua.
• Reducción de gastos de mantenimiento hasta un 25% en redes, válvulas, herramientas, etc., debido al riesgo mínimo de corrosión.
• Menores riesgos de fugas de aire debidas a corrosión.
• Se evita el arrastre de lubricante en las herramientas.
• Mayor calidad de los productos tratados en casos de aplicaciones sensibles al agua (pintura, limpieza con arena, transporte neumático, manipulación de alimentos, procesos químicos).
• Se minimiza el riesgo de congelación de tuberías exteriores.
• Se obtiene un punto de rocío constante independientemente de la carga
Es el dispositivo más común y más económico, cuando la calidad del secado del aire comprimido requiera puntos de rocío alrededor de los 3°C (37° F).
Secadores por refrigeración:
CíclicosNo Cíclicos
AIRE COMPRIMIDO
Tratamiento del aire comprimido
Todos los equipos de secado por refrigeración se diseñan para operar bajo las siguientes condiciones:
Presión de entrada del aire: 100 PsigTemperatura de entrada del aire: 100 °F (37.7 C)Temperatura del ambiente: No mayor de 100 °F
Cualquier variación de las condiciones anteriores afectará la eficiencia del equipo y el punto de roció entregado (grado de sequedad).
Por lo tanto, la capacidad de los secadores deberá ser corregida para las condiciones de operación requeridas.
Selección de Secadores por Refrigeración
AIRE COMPRIMIDO
Tratamiento del aire comprimido
En términos generales los secadores regenerativos alcanzan puntos de roció de-40 a -100ºF. (-40 a 37.7 C)
Se basan en dos torres paralelas conteniendo el agente deshidratante.
Cuando una torre esta adsorbiendo el vapor de agua contenido en el aire la otra torre se esta regenerando y después de un tiempo preestablecido el proceso se invierte
y así la torre que esta adsorbiendo el vapor de agua pasa a regenerarse y la otra que se estaba regenerando empieza a secar el aire.
Secadores regenerativos
AIRE COMPRIMIDO
Tratamiento del aire comprimido
Sin utilización de Energía Externa (Heat Less)
Tipos de secadores regenerartivos
AIRE COMPRIMIDO
Tratamiento del aire comprimido
Costo Inicial: BajoCosto de Operación: Medio a AltoMantenimiento: BajoPurga: 14 %
Utilizan parte del aire que ha sido secado previamente para la regeneración. Por lo tanto no requieren ninguna fuente de energía externa. Para un sistema operando a 100 Psigel consumo de aire seco oscila entre un 13% a 16% del aire que había sido secado previamente.
Por medio de la Utilización de Energía Externa (Con Calor)Tipos de secadores regenerartivos
Costo Inicial: MedioCosto de Operación: BajoMantenimiento: BajoPurga Estandar: 7 %Purga MicroBurst: 3.5 %
Estos equipos utilizan energía externa, como son una resistencia para calentar el aire a temperaturas de hasta 350 F. Con esta operación se consigue la regeneración del desecante sin necesidad de consumir aire seco
Secuencia de Despresurización de la Explosión
Des adsorber la humedad,Secuencia de la Purgación,Secuencia de la Detención,Secuencia de la Explosión.
AIRE COMPRIMIDO
Tratamiento del aire comprimido
Por medio de la utilización de energía externa (Con Calor y Soplador)
Costo Inicial: AltoCosto de Operación: BajoMantenimiento: MedioPurga: 1.75 %
Estos equipos utilizan energía externa, como son una resistencia para calentar el aire a temperaturas de hasta 350 °F (176 C) y un soplador para impulsar el aire caliente a través de la cama de desecante. Con esta operación se consigue la regeneración del desecante sin necesidad de consumir aire seco.
AIRE COMPRIMIDO
Tratamiento del aire comprimido
Ejercicio:
Una aplicación A requiere 8 m3/min de aire a 85 psi durante los primeros 10 minutos de cada hora y los restantes 50 minutos la demanda es cero, este ciclo se repite cada hora.
B. Otro grupo de herramientas requiere 5 m3 de aire a 40 psi cada 30 segundos con descanso de 20, sin embargo debe esperar el lote que le manda la aplicación A. Después de 40 minutos han terminado su trabajo, volverán a trabajar cuando reciban un nuevo lote.
C. Un grupo de martillos requiere 3 m3/min a 60 psi cada uno de aire cada medio minuto, el golpe realizado dura 6 segundos. En total existen 12 equipos iguales, pero la coincidencia de trabajo es del 30%. Susnecesidades son independientes de A y B.
D. Una nueva línea de producción idéntica a la actual se instalara el próximo mes, con requerimientos iguales a los actuales.
Determine:
El flujo que debe satisfacer el sistema de compresión de aire.
Cantidad de Aire Requerido
Demandas altas durante lapsos cortos o demandas instantáneas pueden ser satisfechas por aire almacenado.
Muchos sistemas pueden necesitar más de un tanque de almacenamiento que de un compresor adicional.
AIRE COMPRIMIDO
Los compresores sobredimensionados son extremadamente ineficaces
Porque consumen más energía por unidad de volumen de aire producido que cuando funcionan en carga parcial.
AIRE COMPRIMIDO
Se puede fraccionar la capacidad de los compresores
por ejemplo, en vez de tener un compresor de 150 Hp,
se pueden tener 3 de 50 Hp
y mediante un control operar los compresores en un nivel de carga adecuado y en consecuencia más eficiente.
Esto puede aplicarse en aquellas instalaciones en que la variación de la demanda de aire es importante.
AIRE COMPRIMIDO
Perfil de la Carga de Aire
Analizar los requerimientos de aire durante cierto lapso de tiempo y determinar perfil de la carga.
La variación de la demanda de aire en un cierto plazo es la principal consideración en el diseño del sistema.
Plantas con grandes variaciones en demanda de aire necesitan un sistema que funciona eficientemente en cargas parciales.
Compresores múltiples o de capacidad variable con un sistema de control puede proporcionar una operación más económica.
Plantas con un perfil de carga más plano puede utilizar un control más simple y menor cantidad de compresores.
Almacenamiento del Aire Comprimido
• Proporcionan capacidad de almacenamiento que sirve para evitar que los ciclos de operación de un compresor sean muy cortos, con lo que se reduce el desgaste y uso del compresor. Esto implica un ahorro de energía.
• Con un control de flujo eliminan en gran medida el flujo pulsante generado por las variaciones de demanda o por las pulsaciones naturales producidas en los compresores reciprocantes, por lo que proporcionan el aire a presión esencialmente constante.
• Incrementan el enfriamiento y recuperan posiblesresiduos de condensado y aceite.
• Igualan las variaciones de presión en la red de aire.
AIRE COMPRIMIDO
Una de las principales medidas para obtener ahorros de energía es la de reducir el número de ciclos que efectúa un compresor ya que al producirse ciclos muy cortos esto tiene una influencia directa sobre el desgaste, mayor consumo de aceite, y como consecuencia, del consumo de energía del compresor.
AIRE COMPRIMIDO
Para el caso de compresores rotatorios inundados en aceite se recomienda que el tiempo mínimo de
compresión sea de alrededor de 2 minutos,
Compresores secos y reciprocantes se recomiendan tiempos mínimos de 1 minuto.
Sin tanques de almacenamiento el compresor funcionará de manera continua o casi continua, siempre que exista demanda tal que evite que alcance la presión máxima de descarga que produce el compresor.
AIRE COMPRIMIDO
Los picos hacia arriba son cuando el compresor esta trabajando con carga, es decir, comprimiendo y entregando aire,
los picos hacia abajo el compresor esta trabajando en vacío, es decir, no esta comprimiendo.
Average kW vs Average Capacity w ith Load/Unload Capacity Control
0
20
40
60
80
100
120
0 20 40 60 80 100 1 20
Per cent C apacity
Per
cent
kW
Inpu
t
1 ga l/cfm 3 ga l/cfm 5 ga l/cfm 10 gal /c fm
Almacenamiento Ideal
Tiempo de almacenamiento
Se puede estimar el tiempo de amortiguamiento del tanque, que es el tiempo en que dentro de un tanque de almacenamiento cae la presión de un valor inicial P1 a un valor P2, mediante la siguiente expresión:
PoC)P-(P V t 21
⋅=
Average kW vs Average Capacity w ith Load/Unload Capacity Control
0
20
40
60
80
100
120
0 20 40 60 80 100 1 20
Per cent C apacity
Per
cent
kW
Inpu
t
1 ga l/cfm 3 ga l/cfm 5 ga l/cfm 10 gal /c fm
Almacenamiento Ideal
Para cada empresa calcular el tanque de almacenamiento necesaria
El sistema ideal pero muy difícil de realizar es tener 10 Galones de Aire almacenados por cada CFM generado, un valor siguiente es 5 Galones/CFM y un valor muy posible con buen nivel de eficiencia es de 3 Galones/CFM, se observa una curva que se aleja del valor ideal y esta es bajo un nivel de almacenamiento de 1 Galón/CFM.
Almacenamiento Ideal
0
20
40
60
80
100
0 20 40 60 80 100 1 20
Per cent C apacity
Per
cent
kW
Inpu
t
1 ga l/cfm 3 ga l/cfm 5 ga l/cfm 10 gal /c fm
El tanque de almacenamiento debe diseñarse de acuerdo con las disposiciones de las autoridades locales (regulaciones sobre recipientes a presión).
Los accesorios deben incluir una válvula de seguridad, un manómetro y una válvula de drenaje.
El sistema de almacenamiento debe ser capaz de cubrir las necesidades de aire sin que provoque que el compresor produzca más de 10 arranques en una hora, con arranques menores a 6 minutos, para evitar daños en los equipos eléctricos y en el motor.
Consideraciones Adicionales
AIRE COMPRIMIDO
ACFM – Flujo absoluto de aire en cierto punto a cierta condicion en ese punto. Medido en la admision del compresor.
ICFM – Flujo en CFM a traves del filtro de succion o valvula de admision bajo condiciones medidas
FAD – Entrega de aire libre – igual a ACFM.
SCFM – Flujo standard de aire libre medido y convertido a condiciones de referencia standard (14.5 PSIA, 68 °F (20 C), y 0 % humedad relativa).
NOTA: A condiciones standard los valores de ACFM, ICFM y SCFM son iguales.
Consideraciones Adicionales
DefinicionesPresión Absoluta – La suma de las presiones del medidor y atmosferica (100 psi + 14.5 psi = 114.5 psia “absoluta”)
Relación de Compresión – La relacion de la presion de descarga absoluta a la presion de admision absoluta (100 psi + 14.5 psi) / 14.5 psi = relacion 7.9)
Humedad Relativa – La relacion de la presión parcial de vapor de agua en una mezcla de aire/agua con la presión de vapor saturado a la temperatura de bulbo seco, en porcentaje (%).
Ejemplo Relación de Compresión
Relación de Compresión = Presión de Descarga AbsolutaPresión de Succión Absoluta
Recuerda: Presión de Descarga Absoluta = Presión de Descarga de manómetro + Presión Barométrica (psi)
Ejemplo:14.5 psi Presión Succión100 psi Presión Descarga
• Relación de Compresión = (14.5 + 100) / 14.5 = relación 7.9
A
14.5 LPCA @Nivel del mar
B100 LPCM
114.5 LPCA @ nivel del mar
Nota: Caja “B” es 7.9 veces mas pequeña que la “A”.
Para pasar de condiciones Standart a condiciones de operación o viceversa se utilizan las relaciones de gas ideal:
2
22
1
11
TVP
TVP
=
Condiciones Standart, 25°C (77°F), 1 Atm (14.7 Psia)
V depende del equipo son los CFM
2
22
1
11
TVP
TVP
=
Ejemplo Condiciones de Operación en Sitio, 26°C (79°F), 0.722 Atm (10.61 Psia)
Condiciones Standart, 25°C (77°F), 1 Atm (14.7 Psia)
Calculé ACFM si el dato estándar en 1000 SCFM y la temperatura 20°C
Ojo, las temperaturas son absolutas T = T°C + 273.15
12
1221 PT
TVPV =
2
22
1
11
TVP
TVP
=
Ejemplo Condiciones de Operación en Sitio,
Temperatura 30°CCalcule la Presión requerida ____ psiPresión atmosférica 10.6 psiFlujo Requerido 500 CFM
Condiciones Estándar, 25°C (77°F), Presión Estándar nominal 110 psiPresión atmosférica 14.7 psiFlujo Requerido 500 CFM
21
1221 TV
TVPP =
Es la medición de la potencia en caballos de fuerza tomada en el eje de entrada del compresor.
La mayoría de fabricantes de compresores utilizan como factor de servicio 1.10 a 1.25 veces la potencia nominal de placa del motor eléctrico.
De tal forma que un compresor con un motor eléctrico, cuya placa indica 50 HP; esta capacitado para entregar de 55 BHP a 62.5 BHP.
Potencia al Freno (BHP)
AIRE COMPRIMIDO
Entre más alta sea la presión de descarga requerida, mayor será la relación de compresión; lo que se significa una mayor potencia consumida.
Sí la presión de succión es reducida, para alcanzar la presión de trabajo requerida, se requerirá de una mayor relación de compresión.
El BHP, varía directamente con la variación de la presión de operación del compresor.
Como regla práctica se acepta que por cada variación equivalente a1 PSI, el BHP variará en un 0.5%
Variación del BHP con Respecto a la Presión de Descarga
AIRE COMPRIMIDO
Ejemplo: Un compresor con un motor de 50 HP, tiene un flujo de aire de 245. ACFM a una presión de 110 Psig. ¿Cuál sería la potencia consumida en BHP, si éste compresor va a operar a 125 Psig?.
Solución:BHP( 100 Psig ) = 50
BHP( 110 Psig ) = 50 * 1.1 = 55
Variación del BHP = [ (125 – 110 ) * (0.5 / 100 ) ] * 55 = 4.13
BHP ( 125 PSIG ) = 55 + 4.13 = 59.13
AIRE COMPRIMIDO
Están asociadas a:
1) Propias del compresor:Separadores de aire - aceite saturados y/o obstruidos.
2) Externos al compresor:Diámetro y longitud de la tubería del sistema de distribución,
incluye válvulas, codos, bajantes, bifurcaciones etc.
3) AtmosféricosVariaciones de la altura sobre el nivel del mar.Valores entre 3 a 8 PSIG son consideras aceptablesComo regla práctica, por 1 PSI de incremento de presión
para compensar las pérdidas en la descarga del compresor, ocasiona un incremento de la potencia de 0.5%
Variación del BHP con respecto a las Pérdidas de Presión en la Descarga
La Potencia Específica es el parámetro que indica la eficiencia de un compresor;
También revela el costo de operación.
Es el parámetro más importante en la evaluación de un compresor.
Definida por la razón de la potencia consumida al flujo producido a una presión definida:
La Potencia Específica
oducidoFlujofrenoalPotenciaEspecificaPotencia
Pr=
Relación de Eficiencia
Si medimos la potencia eléctrica y el flujo producido.
Este indicador nos permite compara varios compresores para identificar los más eficientes
La Potencia Específica
)()(
CFMproducidoFlujokWMedidaPotenciaEspecificaPotencia =
Eficiencias
kW/100 CFMLos valores de eficiencia y datos técnicos de los compresores se
certifican en el CAGI.
Los datos técnicos de los compresores han sido verificados por CAGI
(COMPRESSED AIR AND GAS INSTITUTE) es el instituto que valida las características de
operación de todos los fabricantes de equipos de aire comprimido,
Calcule el costo de operación de este Compresor, trabaja todo el tiempo en Tarifa HM.
La planta necesita cuando mucho 110 psi
Tareas que pueden llevar a un ahorro de energía:
Oportunidades de Ahorro de Energía
• Aprovechamiento de tarifas eléctricas• Reducción de presión de descarga• Análisis de operación actual del compresor o compresores• Mejoramiento del control del compresor o compresores• Cambio (renovación) del compresor por otro de mayor eficiencia
•Mejora en las condiciones de succión del compresorAdmisión externa de aire Cambio de ubicación (calidad y temperatura del aire)Mejorar la ventilación del local donde se ubica el compresor
AIRE COMPRIMIDO
• Cambio de lubricante (aplicación de aceites lubricantes sintéticos)
• Aprovechamiento del calor de desperdicio(aire o agua caliente)
• Control de capacidad del compresorAplicación del convertidor de frecuenciaControl de la capacidad en compresores tornillo
• Control de Operación
• Motores de alta eficiencia
AIRE COMPRIMIDO
•Tanques de almacenamientoCorrecto dimensionamientoUso de tanques adicionales para aplicaciones de proceso específicas
•Disminución de pérdidas de presiónUtilizar tuberías de aluminio Sistema de distribución en anilloModificar el diámetro de las tuberías de distribución
FugasIdentificación Evaluación Recomendaciones de corrección
•Control de purgas“Manual y automático “
Una de las formas más sencillas y baratas para lograr ahorros de energía es simplemente admitir aire directamente de un ambiente fresco, se incrementa la capacidad que maneja el compresor.
Comúnmente el aire se toma del cuarto de máquinas, donde las condiciones de temperatura pueden estar algunos grados por encima de la temperatura ambiental, pudiendo alcanzarse diferencias de temperaturas entre el cuarto de compresores y el ambiente de más de 10°C en invierno!.
2
22
1
11
TVP
TVP
=
Admisión Externa de Aire (Reducción de la Temperatura de Succión)
12
1221 PT
TVPV =
Para disminuir de la temperatura en la succión se puede buscar mejorar la ventilación del local,
O en casos extremos, se puede pensar en la reubicación del compresor en una zona más fría.
Es evidente que resulta más sencillo llevar el aire frío al compresor y no al revés.
Cambio de ubicación del compresor (calidad y temperatura del aire).
Cambio de filtros en la succión
El efecto producido por el cambio en la caída de presión en el filtro de admisión es exactamente el mismo del causado por la altitud.
A diferencia de aquel, en este caso si se puede realizar la medida correctiva que evite la pérdida de capacidad y el consiguiente aumento en el tiempo de operación.
En el caso de que el medio ambiente sea más sucio del normal, se deberá incrementar la frecuencia del cambio.
Fugas de Aire en los Sistemas de Aire Comprimido
Se hace necesario considerar a las fugas como una variable de diseño.
Esta se encuentra en un valor de alrededor del 10%.
Un descuido puede llevar a tener fugas que puedan ser del orden del 50%.
AIRE COMPRIMIDO
Equivalencia en Fugas
Una fuga consume 53% más aire a 100 psig que a 60 psig.
Principales fuentes de fugas:• Válvulas de seguridad en depósitos,
• Válvulas de corte,
• Válvulas en general,
• Reguladores,
• Conexiones rápidas,
• Herramientas neumáticas,
• Juntas de tuberías y mangueras,
• Equipos.
AIRE COMPRIMIDO
La cantidad de aire que se fuga por orificios de distinto tamaño a distintas presiones se muestra en la siguiente tabla.
Recomendaciones para disminuir las fugas :
• Inspeccionar las empaquetaduras de válvulas, reemplazándolas en caso necesario,• Reemplazar aquellas válvulas que tengan un cierre defectuoso,• Revisar las herramientas para ajustar y reducir fugas,• Asegurarse de contar con buenas conexiones en las mangueras o tuberías flexibles,• Utilizar mangueras de buena calidad,• No utilizar el aire para soplado o limpieza en general, si serequiere es mejor utilizar aire a menor presión,• Instalar drenes y separadores de condensado en los extremos de los ramales para evitar utilizar aire para la limpieza de las líneas,• Registrar las fugas y su ubicación para tener control del mantenimiento necesario (colocando una etiqueta para su posterior reparación),• Efectuar el mantenimiento a intervalos regulares.
1. Se calcula el valor de la fuga con el procedimiento siguiente:
2. Una vez alcanzada la presión de trabajo y que se ha parado el compresor, se cierran las válvulas, anotándose la presión inicial, la temperatura y el tiempo.
3. Se necesita conocer el volumen de aire en las tuberías asociadas a la porción aislada del sistema.
Evaluación de las Fugas de Aire
Se puede fijar un tiempo o una presión de referencia y con estos valores, la fuga estará dada por:
Donde:
Cfuga(AL): es la capacidad en aire libre fugada, [m3/s-AL]V: es el volumen de la tubería y tanques involucrada, [m3]t: es el tiempo de referencia o el tiempo para alcanzar la presión final
de referencia, [seg]P1: es la presión al inicio de la prueba, [Psig]P2: es la presión al final de la prueba prefijada o la que se alcanza
después del tiempo de referencia [Psig]Po: es la presión atmosférica local, [Psia]
PotP2-P1 V C
⋅=
Evaluación de las Fugas de Aire
AIRE COMPRIMIDO
Ejemplo:t = Tiempo (minutos): 1.31 MinutosP1 = Presión inicial tanque (psig): 90 PsigP2 = Presión final tanque (psig): 84 PsigPo = Presión atmosférica (psia): 12.28 PsiaC = Flujo de Aire (CFM):V = Capacidad Tanque (Pies3): 355.9 Pies3
Al evaluar las fugas se estima un flujo de alrededor de 133 CFM.
CFM⋅=⋅
= 7.132)28.12((1.31)
84-90355.9 C
1. La búsqueda y la reparación es la más simple.
2. Se encuentran las fugas y se reparan inmediatamente.
3. Con el programa del etiquetado de fugas, las fugas se identifican con una etiqueta y se registran para la reparación posterior.
4. Es decir se tiene que identificar la localización, el tamaño, y la descripción de la fuga que se reparará.
Establecer un Programa de Corrección de fugas
1. La característica más importante es conocer la demanda del sistema.
2. La demanda en general o de un elemento en particular, depende de la presión y la capacidad.
3. La demanda de aire por otra parte, es una variable que puede cambiar significativamente a lo largo de un día típico en una planta cualquiera.
4. Depende de la simultaneidad de usuarios en cada momento.
Sistemas de Control para Aire Comprimido
1. Sin control. Existen numerosas plantas donde no existe prácticamente ningún control,
2. El compresor o compresores sólo se arrancan y se mantienen en operación, sin importar que la máquina opere innecesariamente.
3. Hay casos donde a pesar de que no se demande aire en un fin de semana, el compresor está operando, simplemente para compensar las fugas que se tienen.
Tipos de sistemas de control.
AIRE COMPRIMIDO
1. Control local. Se tiene un control para cada compresor, sin embargo los compresores trabajan independientemente, por lo que no existe un soporte de uno a otro.
2. Los fabricantes de compresores ofrecen la opción de control para el arranque/paro, que en su versión más sencilla consiste de un "timer" y un relevador.
3. El timer empieza a funcionar en cuanto el compresor se descarga y si se llega al tiempo de paro del timer, entonces el relevador deteiene el compresor. Una vez que la presión se reduce y alcanza el valor mínimo de presión preestablecida, el compresor arranca automáticamente.
Los compresores de tornillo producen un flujo esencialmente suave que es prácticamente continuo.
El control de la capacidad se hace con los siguientes métodos:
• Control de carga/descarga,
• Modular capacidad con válvula de estrangulamiento,
• Control geométrico,
• Variación de velocidad.
Tipos de Compresores de Tornillo
M O D U L A C IO N ID E A L
0
2 0
4 0
6 0
8 0
1 0 0
0 2 0 4 0 6 0 8 0 1 0 0
% C A P A C I D A D
% P
OTE
NCIA
El sistema de control ideal; sería aquel que pudiera proporcionar un porcentaje de energía consumida igual al porcentaje de capacidad del compresor.
El Sistema de Control Ideal
AIRE COMPRIMIDO
Sin embargo, se tienen limitaciones físicas, tanto en los motores eléctricos (aun operando en vacío), como en las unidades compresoras que requieren de cierta velocidad (RPM) y torque mínimo. Estas limitaciones hacen que la curva ideal quede:
M O D U L A C IO N ID E A L M O D IF IC A D A
0
2 0
4 0
6 0
8 0
1 0 0
0 2 0 4 0 6 0 8 0 1 0 0
% C A P A C I D A D
% P
OTE
NCIA
Conocido también como modulación continua.
Se han utilizado una variedad de mecanismos, siendo los mas comunes: la aleta giratoria o sistema de cierre positivo.
El sistema de modulación continua, entra en operación solamente cuando el compresor haya alcanzado el punto de trabajo; definidopor anticipación en el momento de poner a punto el ajuste del compresor de acuerdo a la demanda del sistema de aire comprimido.
En este tipo se recomienda adquirir compresores con una capacidad mayor (de flujo y no de presión) entre un 10 a un 20 % de la requerida por el sistema.
Sistema Control de Modulación por Estrangulamiento de la Admisión
Succión por Modulación en Acción
Nota: Según la capacidad disminuye, la válvula de succión comienza a cerrarse lo cual crea una restricción en la admisión.
Según la presión de succión es reducida, la relación de compresión se incrementa. A mayor relación de compresión, mas trabajo requerido (H.P.)
MODULACION POR ESTRANGULAMIENTO
0
20
40
60
80
100
0 20 40 60 80 100
% CAPACIDAD
% P
OTE
NCI
A
IDEAL ESTRANGULAMIENTO
Se basa en que el flujo es una función de la longitud del tornillo.
Para este propósito se ha implementado una válvula, la cual se encuentran construidas como parte de la carcasa.
Su función es derivar aire a presión hacia la puerta de succión. del compresor. Por lo tanto se logra una mayor eficiencia en el consumo de potencia a cargas parciales, ya que se produce menos aire de acuerdo a la demanda sin necesidad de estrangular la admisión del compresor.
Entre los tipos mas comunes de válvulas para el control geométrico, se encuentran las rotativas, las deslizantes, las de derivación de cabeza curva y de cabeza plana.
Sistema de Control Geométrico
Historia de la Capacidad Variable
El primero en llegar fue Gardner Denver con “Turn Valve”• Inicialmente funciono bien, pero sin indicación visual externa de la
posición de la válvula.• Activado neumáticamente
Después llego Sullair con “Spiral Valve”• Las mejoras incluían una “aguja min/max” para una indicacion visual
externa de la posicion de la valvula.Entonces llego LeRoi con “Econotrol” un diseño de valvula poppet • Las válvulas poppet eran de actuación simple con resorte para
hacerlas caer en posición cerrada. • Válvulas planas.
Finalmente, el compresor Quincy con Power$ync• Válvulas de doble acción curvas. • Controladas por microprocesador.
Control de Capacidad Variable Spiral Valve
Spiral Valve
Que cantidad de partes!!
Principio Turn Valve
Sin indicación visual externa de la posición de la válvula
Principio Turn Valve
Argumento en contra del Power$ync
Al abrir una o mas válvulas, el aire desplazado es re-circulado por un puerto interno de regreso a la succión a capacidades reducidas. La válvula de succión es mantenida en posición abierta. Como esto ocurre previo a la compresión, la relación de compresión permanece constante resultando en una reducción de la potencia requerida para la compresión de aire.
Operación Power$ync
Al abrir cada válvula se reduce la capacidad en 12.5 %
Al abrir una o mas válvulas “Lift Valves” el Airend de capacidad variable Power$ync simula que se acortan las longitudes de los rotores: por lo tanto, acorta la carrera y reduce los requerimientos de potencia para cargas parciales
1 32 4
1 Válvula abierta – capacidad reducida en 12.5 %
2 Válvulas abiertas – capacidad reducida en 25 %
3 Válvulas abiertas – capacidad reducida en 37.5 %
4 Válvulas abiertas – capacidad reducida en 50 %
Succión DescargaDisplacementDisplacementDisplacementDisplacementDisplacement
Power$ync Unidad de
Desplazamiento Variable
A 81% de capacidad, la potencia requerida se reduce a 83% comparado con el 96% de modulación de succión!
81%Capacidad 83%
Potencia
Sistema de Control Geométrico
Válvulas de derivación cabeza plana
Modo manual único con sistema de control redundante que permite al compresor operar aun en el caso de una falla en el
PLC
Característica Unica
Modo Power$ync
Modo Manual
Válvulas en Acción
Válvulas curvas Quincy – Eliminan fugas internas
Válvulas Poppet CompAir
Válvula Spiral/Turn Sullair – GD
Fugas Internas
Control Utilizando Válvulas de Derivación de Cabeza Curva
El sistema de control geométrico presenta mayores ventajas en la actualidad.
Las válvulas de derivación de cabeza curva se construyen en la carcasa y sus caras superiores se maquinan en el mismo momento que se construye la carcasa.
De tal forma que la cara superior de cada válvula mantiene el mismo perfil o contorno geométrico de la carcasa. Así el extremo de los tornillos siempre se mantiene haciendo sello sobre la superficie de la válvula.
MODULACION POR CONTROL GEOMETRICO SIN FUGAS
0
20
40
60
80
100
0 20 40 60 80 100
% CAPACIDAD
% P
OTE
NCIA
IDEAL GEOMETRICO
Control con Variador de Velocidad
Con variación de velocidad. La entrega de aire es directamente proporcional a la velocidad del rotor macho.
Los ahorros de energía se obtienen en aplicaciones donde la mayor parte del tiempo el compresor trabaja a media o baja carga.
Algunos diseños paran el compresor cuando trabaja a una velocidad inferior al 20%, mientras que otros pueden estar en descarga en 40% a 50%, la potencia que consume en descarga es de 10 a 15%.
AIRE COMPRIMIDO
AIRE COMPRIMIDO
Los variadores de velocidad normalmente requieren un ambiente seco y una temperatura moderada por debajo de 46 ºC. Por lo tanto, los variadores de frecuencia deben estar bien ventilados.Normalmente dentro de su gabinete incluye un ventilador para serenfriado. Por esta razón estos compresores tienen asignado un NEMA 1.
También requieren un ambiente relativamente limpio, no puede haber cantidades excesivas de polvo o partículas dentro del Variador de Frecuencia..
Ya que la mayoría de fabricantes y distribuidores de compresores no contemplan estas condiciones y puede terminar dañándose principalmente el control del compresor, es decir, el variador de velocidad. Por ejemplo, si los compresores están equipados con gabinete NEMA 4, puede tolerar condiciones ambiente más extremas.
AIRE COMPRIMIDO
COMPARACION DE CONTROLES
Control Central
El control central reemplaza los controles locales de los compresores con un sistema de control central o maestro.
Entre las ventajas está la posibilidad de lograr la reducción global de la presión de operación.
El control puede llevar a cabo la tarea de manipular los compresores del sistema dentro de un rango especificado de operación, con lo que se produce la reducción de presión y al mismo tiempo, se obtiene también una presión más uniforme.
Control de Flujo de Aire Intermedio
El principal problema es que el sistema debe satisfacer la demanda de los picos de aire, entonces se arranca otro compresor y con ello se incrementa la generación de aire y también la presión del paquete del compresor por lo que no vigila la presión del sistema.
Picos que Exceden la Capacidadde los compresores .
Capacidad del Compresor
Flujo de aire Requerido
+
Práctica ComúnIncrementar
Potencia y Presión
+ Presión = + Consumo = + Energía = + $$$$
La Meta es Cumplir con el requerimiento de Aire en:
• Flujo,• Presión y• Calidad de Aire
La Demanda de Aire típicamente se distribuye de la siguiente manera:Componentes de Demanda
Producción50%
Fugas25%
DemandaArtificial
15%
UsosInapropiados
10%
AIRE COMPRIMIDO
Almacenar aire en los tanques a 100 Psig y entregar a la planta la presión requerida que pudiera ser 80 o 90 Psig, permitiría trabajar los compresores en su punto optimo y tener la capacidad de apagar los compresores que no sean necesarios, evitando la operación a baja carga y en vació.
PUNTOS DE USO
100 PSICOMPRESOR
AIRE
100 PSICOMPRESOR
AIREAIRE
FILTROSECADOR
CONTROL INTERMEDO Con Almacenamiento 75 PSI
40 PSI
55 PSI
60 PSI
MINIMOACEPTABLE
75 PSI
40 PSI
55 PSI
60 PSI
75 PSI
40 PSI
55 PSI
60 PSI
MINIMOACEPTABLE
80 psi
+ - 1
Sistema de Almacenamiento Convencional
entrada salida
85 psig 85 psig
SIN PRESION DIFERENCIAL
Dren
AIRE COMPRIMIDO
El tanque solo funciona como una burbuja en la tubería ya que el aire que sale tiene que ser reemplazado dentro del tanque.
La presión oscila en un rango en función de los compresores en operación y de la demanda de aire.
Sistema de Almacenamiento con Control de Flujo
Entrada
100 psig
Entrada
100 psig
Salida
80 psig
Salida
80 psig
CON PRESION DIFERENCIAL
ENERGIA ALMACENADA = CAPACITANCIA P
AIRE COMPRIMIDO
Otra ventaja es que al entregar el aire a la presión requerida no a la presión generada como lo hacen todos los sistemas convencionales, se elimina la demanda artificial generada porque los sistemas de aire compensan mayor demanda de aire con mayor presión en el sistema.
Demanda Artificial
Pres
ión
Tiempo
Ciclos de Demanda en CFM
+ PSI=
+ CFM
Control de Flujo
El tener un control de flujo:
Aísla el sistema de generación de la demanda de aire,
Permite secuenciar y seleccionar la operación de los compresores del modo más eficiente.
Almacena aire durante el ciclo no productivo.
CONTROL DE FLUJO
En resumen se tienen las siguientes ventajas:
• Aísla los compresores de la demanda• Permite acumular aire en los ciclos de bajo consumo, • Protege a los usuarios pequeños de los grandes, • Crea un almacenamiento positivo para ser usado en los picos de
demanda,• Permite secuenciar los compresores para un máximo,• Menor tiempo de operación de compresores,• Ahorro de energía porque los compresores trabajan en su punto
optimo y se elimina la operación en vació.• Sistema de presión estable,• Menor consumo de energía,• Mejora la productividad.
AIRE COMPRIMIDO
Por ejemplo, se muestra el comportamiento de la presión del suministro por 5 compresores y la presión de la demanda la cual oscila en una banda muy pequeña ya que se tiene un control del flujo y un almacenamiento diferencial adecuado.
Conductores CMPresiones Septiembre 2002
65
70
75
80
85
90
95
100
105
110
16:0
0:00
16:1
5:00
16:3
0:00
16:4
5:00
17:0
0:00
17:1
5:00
17:3
0:00
17:4
5:00
18:0
0:00
18:1
5:00
18:3
0:00
18:4
5:00
19:0
0:00
19:1
5:00
19:3
0:00
19:4
5:00
20:0
0:00
20:1
5:00
20:3
0:00
20:4
5:00
21:0
0:00
21:1
5:00
21:3
0:00
21:4
5:00
22:0
0:00
22:1
5:00
22:3
0:00
22:4
5:00
23:0
0:00
23:1
5:00
23:3
0:00
23:4
5:00
00:0
0:00
00:1
5:00
00:3
0:00
00:4
5:00
01:0
0:00
01:1
5:00
01:3
0:00
01:4
5:00
02:0
0:00
02:1
5:00
02:3
0:00
Tiempo
PSI
Presión Suministro
Presión Demanda
Controlando la Demanda en Sistema de 5 Compresores
AIRE COMPRIMIDO
Por ejemplo, se muestra el comportamiento de la presión del suministro por 2 compresores y la presión de la demanda la cual oscila en una banda muy pequeña ya que se tiene un control del flujo y un almacenamiento diferencial adecuado.
Secuenciador o Control de Compresores
Adicional al Control de Flujo también se puede incluir un Control Inteligente de Compresores el cual permite controlar la operación de los compresores.
• En una Banda de presión muy corta permite importante ahorro de energía
• Rotarlos por horas de operación , Primero en entrar –Primero en salir
• Adaptar la potencia a la demanda para optimizar Energía.
El secuenciador es un complemento al control de flujo de aire
Un sistema de control para múltiples compresores tiene como objetivo el orquestar la operación de los compresores en función de los requerimientos de aire.
Optimizar con el uso de un sistema de control automático
• Las características generales de un secuenciador maestro para controlar y secuenciar “n” compresores son las siguientes características:• Menús de información y configuración,• Reloj con Hora y día actual,• Lámparas LED indicando “status” de compresores,• Selección prioritaria de compresor individual,• Pantalla digital indicando presión del sistema,• Auto restablecimiento en caso de falla,• Calibración de sensor de presión,• Información individual de compresor,• Pantalla digital para información y diagnostico de falla,• Secuencias pre-programadas,• Rotación de compresores con intervalo establecido,• Rotación FIFO ( first in/First Out),• Igualación de horas de trabajo de compresores, • Perfil ahorrador de energía: El microprocesador monitorea continuamente la secuencia y reasigna la secuencia para maximizar el ahorro de energía.• También se pueden requerir tarjetas de interfase para los compresores ya sea digitales o analógicas en función del tipo de compresor que se tenga.
