Descripción del Sistema de Aire Comprimido

2.-Descripción del Sistema de aire comprimido

El sistema de aire comprimido es muy habitual en todo tipo de instalaciones industriales; el caso que nos ocupa es el estudio de un sistema de aire comprimido en una planta termosolar.

El aire comprimido dentro en este tipo de plantas suele dividirse en:

-

Aire de servicios: El aire utilizado para servicios generales (tales como pequeñas bombas neumáticas, arrancadores de motor de compresoras de gas, herramientas neumáticas, sopletes de arena a presión, etc.). Es comprimido y almacenado sin necesidad de ser secado.

-

Aire de instrumentos: Usado en válvulas de control y válvulas todo-nada, así como en pequeños motores neumáticos. En este caso el aire atmosférico es

comprimido, almacenado en un tanque de volumen,

filtrado y secado para utilizarlo en instrumentos.

El aire a comprimir es tomado de la atmósfera e introducido en los compresores, donde adquirirá las condiciones de presión adecuadas. Una vez comprimido se hace pasar por los prefiltros, bifurcándose a continuación en dos corrientes: la fracción de aire de servicios se conduce directamente a su tanque de almacenamiento, mientras que la parte del aire destinada a instrumentos es secada y filtrada de nuevo en los postfiltros, para posteriormente almacenarse en el tanque de instrumentos.

El aire comprimido en general es utilizado para el manejo de equipos de planta y para instrumentación. El uso del aire comprimido en equipos de planta hace referencia a dispositivos robustos como taladros, pulidores, elevadores, motores y otros;

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aunque también es utilizado para actuadores de precisión y pequeños motores neumáticos, así como en equipos tales como turbina o calderas y válvulas de control

Estos equipos tienen una función de control de procesos más que de potencia. Debido a la precisión de sus componentes, el aire comprimido usado en ellos ha de tener una calidad superior a la usada en un equipo robusto. Por ejemplo, el aire ha de tener un contenido de humedad tan bajo que su punto de rocío sea siempre superior a la menor temperatura en cualquier lugar de la red con el fin de evitar la presencia de condensados. Además, las impurezas del aire deberán ser menores que 0.1g/Nm3 y hasta un tamaño de 3 g/Nm3.

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2.1 Elementos básicos de una red de aire comprimido:

Los elementos principales que componen una red de aire comprimido

y que

describiremos a continuación son: - Compresor - Aftercooler o Enfriadores - Pre filtros - Post filtros - Secadoras/Deshidratadoras de aire - Tanques o depósitos. - Red de tuberías

2.1.1 Compresor:

El compresor aspira el aire de la atmosfera y lo comprime en un volumen más pequeño, almacenándolo después en un depósito.

Para producir aire comprimido se utilizan compresores que elevan la presión del aire al valor de trabajo deseado. El aire comprimido viene de la estación compresora y llega a las instalaciones a través de tuberías.

Los compresores móviles se utilizan en la rama de la construcción o en máquinas que se desplazan frecuentemente.

En el momento de la planificación es necesario prever un tamaño superior de la red, con el fin de poder alimentar aparatos neumáticos nuevos que se adquieran en el futuro. Por ello, es necesario sobredimensionar la instalación, al 16

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objeto de que el compresor no resulte más tarde insuficiente, puesto que toda ampliación posterior en el equipo generador supone gastos muy considerables.

Es muy importante que el aire sea puro. Si es puro el generador de aire comprimido tendrá una larga duración. También debería tenerse en cuenta la aplicación correcta de los diversos tipos de compresores.

Para instalaciones en plantas termosolares los compresores suelen ser de tipo no lubricados, enfriados por aire, con acoplamiento directo al motor y estarán diseñados en función de los requerimientos de presión y gasto de aire de instrumentos y servicios al 100%

Tipos de compresores

Básicamente hay siete tipos de compresores de aire que se utilizan en la industria, que se agrupan a su vez en dos grandes familias: compresores de desplazamiento positivo (CDP); los cuales encierran un volumen de gas o aire y después incrementan la presión reduciendo dicho volumen mediante el desplazamiento de uno o más miembros en movimiento; y los compresores rota-dinámicos o turbocompresores (TC); los cuales funcionan a presión constante.

Compresor de tornillo (CDP)

Este tipo de compresores son alternativos de desplazamiento positivo y ofrecen un caudal elevado y estable en condiciones de presión variables; estas características lo hacen ideal para las instalaciones de aire comprimido.

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Las piezas principales del compresor de tornillo son los rotores macho y hembra, que giran en direcciones opuestas mientras disminuye el volumen entre ellos y la carcasa. Cada elemento de tornillo tiene una relación de presiones integrada fija que depende de su longitud, del paso del tornillo y de la forma de la lumbrera de descarga. Para lograr la máxima eficacia la relación de presiones integrada debe adaptarse a la presión de trabajo requerida.

Estos compresores son fáciles de conservar, la salida de aire en estos compresores es lisa y libre de los impulsos que se pueden hallar en otros modelos de compresor de aire, tienen un gran volumen de aire a una gran presión. Son de larga duración y de rápido funcionamiento.

Figura 2.1 Compresor de tornillo

El ciclo de trabajo de este tipo de compresores se divide en cuatro etapas: • Comienzo de la compresión. El cilindro se encuentra lleno de aire • Etapa de compresión. El pistón actúa sobre la masa de aire reduciendo su volumen original con un aumento paralelo de la presión del mismo. Las válvulas del cilindro permanecen cerradas.

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• Etapa de expulsión. Justo antes de completar la carrera de compresión la válvula de descarga se abre. El aire comprimido sale del cilindro, debido a su propia presión, a través de la válvula de descarga. Antes de alcanzar el final de carrera la válvula de descarga se cierra dejando el espacio libre del cilindro lleno de aire a la presión de descarga.

• Etapa de expansión. Durante esta etapa tanto la válvula de descarga como la de entrada permanecen cerradas. El pistón comienza la carrera de retroceso, el aire contenido dentro del cilindro sufre un aumento de volumen con lo que la presión interior del sistema se reduce.

• Etapa de admisión. El pistón durante esta etapa retrocede provocando una depresión en la interior del cilindro que es compensada por la entrada de aire a través de la línea de admisión. Justo antes de llegar al punto inferior de la carrera la válvula de admisión se cerrará, volviendo al estado inicial con lo que comienza un nuevo ciclo. .

Para la aplicación que nos requiere se utilizará compresores de este tipo pero exentos de aceites, ya que no se admiten concesiones cuando se trata de aire limpio y 100 % exento de aceite. Sólo compresores exentos de aceite admiten aire exento de aceite; clase 0 según ISO 8573-1

Figura 2.2 Ejemplo compresor exento de aceite

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En los compresores de tornillo exentos de aceite emplean frecuentemente engranajes externos para sincronizar la posición de los rotores que giran en sentido contrario. Como los rotores no hacen contacto entre sí ni con la carcasa no se necesita lubricación dentro de la cámara de compresión. Por consiguiente el aire comprimido estará libre de aceite. Los rotores y la carcasa se fabrican con gran precisión para minimizar las fugas desde el lado de presión al lado de aspiración.

Compresor de paletas deslizantes (CDP)

Utiliza unas paletas colocadas excéntricamente dentro del rotor de la máquina. Al ir girando, el espacio existente entre las paletas se va reduciendo, con lo que el aire atrapado es esas cavidades se comprime. Este tipo de compresores se suele utilizar cuando normalmente cuando las exigencias de caudal son bajas

Figura 2.3. Compresor de paletas deslizantes

Compresor de anillo liquido (CDP)

Son compresores de desplazamiento positivo que emplean un rotor de álabes fijos dentro de una envolvente elíptica, que está parcialmente llena de líquido. 20

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Al girar el rotor, los alabes ponen el liquido en movimiento, penetran dentro de la película de liquido y comprimen el aire que queda atrapado. Son compresores libres de aceite.

Figura 2.4. Compresor de anillo

Compresor de lóbulos (CDP)

Funcionan de manera similar a una bomba de engranajes. Al girar, el aire atrapado entre los lóbulos del rodete y la carcasa de la máquina es impulsado hacia la salida. Estas máquinas aportan poca compresión, que está asociada básicamente al movimiento de los lóbulos.

Figura 2.5 Compresor de lóbulos

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Compresor de husillo (CDP)

Utilizan un par de tornillos sin fin que al girar van comprimiendo el aire que queda atrapado entre ellos. Consiguen alcanzar grandes presiones gracias a lo reducido de los huelgos existentes entre los tornillos.

Figura 2.6 Compresor de husillos

Compresores centrífugos (TC)

Son de tipo rota-dinámico. La velocidad del aire aumenta al paso por al rodete mientras que a la descarga, una sección difusiva (la voluta) decelera el aire y aumenta la presión de descarga. Normalmente se emplean cuando se necesitan importantes caudales de aire a presiones relativamente moderadas. Se pueden conseguir mayores presiones colocando varios compresores en línea.

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Figura 2.7. Compresor centrifugo

Compresores axiales (TCI)

Son compresores dinámicos con flujo axial. El aire circula paralelo al eje del compresor a través de hileras de álabes giratorios y estacionarios. De esta forma, la velocidad del aire aumenta gradualmente al mismo tiempo que los álabes estacionarios convierten la energía cinética en presión. Normalmente para contrarrestar el empuje axial el compresor lleva incorporado un tambor de equilibrio.

Los compresores axiales suelen ser más pequeños y ligeros que sus equivalentes centrífugos y funcionan por lo general a velocidades mayores.

Figura 2.8. Compresor axial

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2.1.2 Aftercooler o Enfriadores:

Al comprimir el aire éste se calienta y por tanto su capacidad para retener vapor de agua aumenta. Por el contrario, un incremento en la presión del aire, reduce notablemente se capacidad para retener agua. Por tanto mientras el aire se comprime en el compresor, la alta temperatura evita que el agua condense, pero una vez en las conducciones, el descenso de temperatura, mantenido a presiones altas, sí conlleva a la condensación de agua en las tuberías.

Por tanto, para eliminar las posibles condensaciones, se reduce la temperatura del aire en un dispositivo que se coloca junto a la salida del compresor (sin esperar a que ese descenso tenga lugar en las propias líneas de suministro del aire comprimido). Para ello se introduce un enfriador (aftercooler), tan próximo al compresor como sea posible.

El aftercooler no es más que un intercambiador de calor, que puede funcionar bien con agua o bien con aire como fluido calorpaortante.

Normalmente al aftercooler va acoplado a la salida un deshumidificador, encargado de drenar el agua de condensación que se extrae de la corriente de aire comprimido.

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2.1.3 Pre filtros y post filtros: El aire del ambiente contiene contaminantes que se filtran en el compresor, estos contaminantes son concentrados durante la compresión y salen por el sistema de aire comprimido. Un sistema típico de compresión se contamina con partículas sólidas abrasivas como el polvo, residuos de tubería y oxido, lubricantes del compresor, gotas de agua condensada aceite y vapor de hidrocarburos.

Todos los compresores aspiran aire húmedo y sus filtros de aspiración no pueden modificar esto ni eliminar totalmente las partículas sólidas del aire atmosférico.

La humedad es también muy dañina para el sistema ayudando a la corrosión y causando el desgaste excesivo de los componentes. La humedad se acumulará en los puntos bajos del sistema y se congelará durante el tiempo frío, produciendo la detención del sistema y la rotura de líneas.

La humedad llega al interior de la red con el aire que aspira el compresor. La cantidad de humedad depende en primer lugar de la humedad relativa del aire, que a su vez depende de la temperatura del aire y de las condiciones climatológicas. La humedad absoluta es la cantidad de agua contenida en un m3 de aire.

Un filtro ideal removerá toda la suciedad y humedad del sistema neumático sin causar caída de presión en el proceso, o causando la mínima posible

Los sistemas de aire contaminados aumentan los costos de operación al robar energía del sistema de aire; dando como resultado reducción en eficiencia, daños a equipos que operan con aire, mayor mantenimiento y costes de reparación, así como una disminución de la productividad. 25

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Tanto los prefiltros como los postfiltros serán de tipo seco y serán capaces de retener cualquier impureza que pudiera venir en el aire comprimido, en el rango de 1 hasta 3 micras. Las características que deben cumplir los filtros se especifican mediante normas internacionales. En la siguiente tabla se describe la norma ISO para filtros que en la siguiente sección del proyecto describiremos.

Clase 1 2 3 4 5 6

Tamaño de partículas m 0,1 1 5 15 40 -

Punto de rocío en ºC -70 -40 -20 +3 +7 +10

Máximo contenido de aceite mg/m3 0,01 0,1 1 5 25 -

Figura 2.9 Tabla ISO sobre calidad del aire

Los prefiltros son comunes tanto al aire de instrumentos como al de servicio, siendo los postfiltros únicamente utilizados para el aire de instrumentos.

El principio de funcionamiento de los pre filtros y post filtros es el mismo. El aire comprimido atraviesa el elemento filtrante desde el interior hasta el exterior. En este proceso las partículas sólidas son retenidas por las diferentes capas que forman el elemento filtrante, mientras que las microgotas de agua que recibe el filtro son eliminadas mediante los dispositivos de purga ubicados en la parte inferior del filtro. Ver figura 2.10

.

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Figura2.10. Filtros

Existen varios modelos de filtros usados en instalaciones de aire comprimido según el tipo de malla o membrana:

Filtros de fibra: Son muy eficaces para la eliminación de aceite, aunque es difícil controlar con precisión la cantidad de aceite que queda en el aire ya que la temperatura entre otros factores tiene un efecto importante. Sólo pueden eliminar aceite en forma de gotas o aerosoles

Filtros de carbón activo: Cubre una gran superficie interna. Pude absorber del 10-20% de su propio peso en aceite. El ideal para la eliminación de aceite en forma vapor. Deben contener la cantidad apropiada de carbón para no provocar grandes pérdidas de presión.

Filtros estériles: Este tipo de filtros no ofrecen buenos resultados si existe agua libre en el aire. Tienen alta resistencia térmica y mecánica. Puede ser esterilizado mediante vapor directo en autoclave.

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2.1.4 Secadoras/ deshidratadoras de aire:

La humedad en las líneas de aire puede crear problemas tales como la formación de hielo en las válvulas y controles. Esto puede ocurrir, por ejemplo, si aire a muy alta presión es estrangulado a muy baja presión a un régimen de flujo elevado. El efecto de venturi del aire estrangulado produce bajas temperaturas, que harán que cualquier humedad en el aire se congele y forme hielo. Esto hace que la válvula (especialmente una válvula automática) sea muy difícil o imposible de operar.

Por otro lado, las gotas de agua pueden producir un golpe de ariete de agua en un sistema de aire que tenga alta presión y un flujo elevado, y pueden causar corrosión, óxido, y la dilución de los lubricantes dentro del sistema. Por estas razones, los secadores de aire son usados para secar el aire comprimido.

Todos los secadores, aunque de distintas marcas y modelos trabajan según el mismo principio, el aire comprimido que entra al secador se pre enfría en el intercambiador aire/aire y seguidamente se introduce en el evaporador donde se enfría hasta alcanzar la temperatura del punto de rocío deseado.

A continuación penetra en el evaporador donde el agua condensada es separada y evacuada por la purga automática. Antes de salir del secador el aire comprimido vuelve a entrar al intercambiador aire/aire donde es recalentado por el aire comprimido caliente de entrada

La temperatura del aire es controlada por un termostato que detiene el compresor cuando alcanza la temperatura prefijada. Este es el único sistema donde todo el frío producido es utilizado por el aire comprimido. El resultado es un ahorro de energía y de horas de trabajo del compresor variable entre un 30 y un 80%.

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Secadoras por refrigeración

En los deshidratadores tipo refrigerado, el aire comprimido es pasado sobre un juego de bobinas refrigeradas. Los vapores de aceite y humedad del aire se condensan y pueden ser recolectados y removidos a través de un punto bajo de drenaje.

- Ventajas: • Amplio rango de caudales: 0,20 m3/min a 471,5 m3/min • Diseño de alta temperatura: hasta 93ºC Tª aire de ingreso • Bajo coste • Alta eficiencia • Baja caída de presión • Fácil mantenimiento

- Desventajas: • Punto de rocío: 3ºC o 7ºC (No válido para aplicaciones de aire de instrumentos) • Posibilidad de condensación a distancias pequeñas- medias

Figura 2.11. Secadora por refrigeración

Secadoras por Absorción.

Un desecante es una sustancia química con una alta capacidad de absorber agua o humedad. El mismo tiene además la capacidad de desprenderse de esa humedad, de manera que el desecante puede ser reutilizado.

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Algunos deshidratadores para sistema de aire comprimido son un par de torres de secado (Recipientes llenos de desecante). Uno es mantenido en servicio deshidratando el aire comprimido, mientras que la otra está siendo reactivada. Una torre desecante es normalmente reactivada pasando aire seco caliente a través de la misma en la dirección opuesta al flujo normal de deshidratación.

Otro tipo de secador químico consiste en un encapsulado, un cartucho conteniendo un agente químico, un filtro (bronce sinterizado) y un resorte. Varios tipos de químicos absorbentes son usados por diferentes fabricantes en la construcción de los cartuchos. Para asegurar un filtrado correcto, el aire debe pasar a través del filtro en la dirección correcta.

Secadoras por Adsorción: Este tipo de secadoras pueden ser con aporte de calor o sin aporte de calor.

Sin aporte de calor:

El aire entra en el secador procedente de un filtro previo que retira la contaminación para proteger el desecante y es conducido a la torre de secado. El desecante retira la humedad del aire por adsorción, y el aire seco pasa por un filtro posterior eliminando cualquier partícula antes de entrar en el sistema de aire. En este tipo de secadores con aporte de calor un 15% del aire es redirigido a la torre de regeneración

El aire seco fluye en dirección opuesta por la torre de regeneración, retirando la humedad atrapada del desecante. Por último el aire húmedo sale del secador por un puerto de escape equipado con un silenciador para reducir el ruido

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Figura 2.12 .Secadora por adsorción sin aporte de calor

Algunas de las ventajas de las secadoras sin aporte de calor serían: o Punto de rocío: -40ºC o -70ºC o Amplio rango de caudales: 160m3/hr a 3.300 m3/hr o Fácil mantenimiento o Fácil operación, perfil bajo o Larga vida útil

Con aporte de calor:

En este caso la parte de secado es igual a la del caso anterior, la diferencia entre ambos radica en la zona de regeneración, ya que en el secador con aporte de calor el aire entraría caliente en la zona de regeneración debido a que el aire ambiente entra por la entrada del ventilador, elevándose así la temperatura del aire cuando se mueve por el calentador externo

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Figura 2.13 Secadora por adsorción con aporte de calor

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2.1.5 Tanques ó depósitos: Tanto el tanque de aire de instrumentos como el de aire de servicios serán recipientes cilíndrico- verticales, diseñados conforme los requerimientos de ASME, sección VIII.

Ambos tanques contarán con las boquillas necesarias para la entrada y salida de aire, conexiones de instrumentos, válvulas de seguridad, drenaje, etc.

Las dimensiones y presiones de ambos tanques se calcularan en una sección posterior en función del diseño y necesidades de presión y caudal de la red de aire comprimido de la planta.

Por norma general el tanque debe amortiguar las fluctuaciones de caudal de los compresores, que suelen funcionar de forma discontinua, y evitar que se transmitan a los puntos de consumo. Por lo tanto los compresores se regulan para que arranquen paren y almacenen aire a presión en el depósito, tratando de espaciar al máximo sus ciclos de trabajo y siempre manteniendo la presión mínima requerida en los puntos de consumo de aire.

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2.1.6 Red de tuberías: Puesto que el compresor, el depósito y los enfriadores suelen colocarse en una zona cercana entre ellos, es preciso diseñar la distribución en planta de las líneas de suministro desde el compresor a los puntos de consumo.

Se ha de procurar que la distribución minimice en la medida de lo posible las longitudes de las tuberías desde el compresor al punto más alejado. En aquellas redes que sean muy extensas, es preferible situar el compresor en una zona central, minimizando así la distancia al punto más alejado.

Algunos detalles importantes que es recomendable respetar a la hora de diseñar la instalación del aire comprimido:

Procurar que la tubería sea lo más recta posible con el fin de disminuir la longitud de tubería, número de codos, t´s, y cambios de sección que aumentan la pérdida de presión en el sistema. Los puntos de drenajes se colocan con la ayuda de T´s, ya que el cambio brusco en la dirección del flujo facilita la separación de las gotas de agua de la corriente de aire. La tubería no debe entrar en contacto con los cables eléctricos para así evitar accidentes. En la instalación de la red deberá tenerse en cuenta cierta libertad para que la tubería se expanda o contraiga ante variaciones de la temperatura. Si esto no se garantiza es posible que se presentes "combas" con su respectiva acumulación de agua. Las tuberías deben ir descendiendo levemente en la dirección del flujo. La pendiente puede fijarse aproximadamente en un 1%. Las conexiones de las ramificaciones se hacen desde arriba (para obstaculizar al máximo posibles entradas de agua). 34

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En todos los puntos bajos es recomendable colocar puntos de drenaje. Así mismo, en la línea principal de distribución se pueden colocar cada 30-40 metros; saliendo siempre desde el punto inferior de la tubería. El número de juntas y codos debe reducirse al máximo posible, de esta forma las pérdidas de la red serán menores. Las conexiones de tuberías de servicio o bajantes deben hacerse desde la parte superior de la tubería secundaria para evitar el descenso de agua por gravedad hasta los equipos neumáticos y su deterioro asociado. Un buen diámetro de la tubería principal evita problemas ante una ampliación de la red. Antes de implementar extensiones o nuevas demandas de aire en la red debe verificarse que los diámetros de la tubería si soportan el nuevo caudal.

La red de tuberías estará formada por:

•

Tubería principal, es la línea que sale del conjunto de compresores y conduce todo el aire que consume la planta. Debe tener la mayor sección posible para evitar pérdidas de presión y prever futuras ampliaciones de la red con su consecuente aumento de caudal.

• Tuberías secundarias, se derivan de la tubería principal para conectarse con las tuberías de servicio. El caudal que por allí circula es el asociado a los elementos alimentados exclusivamente por esta tubería. También en su diseño se debe prever posibles ampliaciones en el futuro.

•

Tuberías de servicio e instrumentación, son las que surten en sí los equipos neumáticos. En sus extremos tienen conectores rápidos y sobre ellas se ubican las unidades de mantenimiento. Con el fin de evitar obstrucciones se recomiendan diámetros entorno a ½"

en la tubería. Puesto que 35

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generalmente son segmentos cortos las pérdidas son bajas y por tanto la velocidad del aire en las tuberías de servicio puede llegar hasta 5 m/s.

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2.1.7 Otros elementos:

Existen otra serie de elementos que pueden ser necesarios para el correcto funcionamiento de una instalación de aire comprimido. Dependiendo de los requerimientos de la instalación estos pueden ser incluidos o no en el diseño final. Algunos de estos elementos adicionales son:

Filtros anticontaminantes: Para la eliminación de partículas, inclusiones sólidos, aceites o grasas de suspensión. Se realizan mediante separación mecánica, coalescencia o adsorción.

Filtros para la admisión de aire del compresor, especialmente en ambientes de trabajo sucio

Silenciadores. Con objeto de controlar el ruido en caso de presencia humana continuada cerca del compresor o de los puntos de consumo.

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2.2 Diseño de redes de aire comprimido:

2.2.1 Distribución redes aire comprimido: Existen varias posibles configuraciones de una red de aire comprimido.

•

Red abierta ó con línea muerta:

Se constituye por una sola línea principal de la cual se desprenden las secundarias y las de servicio tal como se muestra en la figura 2.14. La poca inversión inicial necesaria de esta configuración constituye su principal ventaja, además de que este tipo de distribución favorece el drenaje. La principal desventaja de este tipo de redes es su mantenimiento. Ante una reparación es posible que se detenga el suministro de aire "aguas abajo" del punto de corte lo que implica una detención de la producción. Otra desventaja a tener en cuenta es que este tipo de distribución provoca grandes pérdidas de carga.

Figura 2.14 Ejemplo instalación abierta

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•

Red Cerrada:

En esta configuración la línea principal constituye un anillo o varios tal como se muestra en la figura 2.15. La inversión inicial de este tipo de red es mayor que si fuera abierta. Sin embargo con ella se facilitan las labores de mantenimiento de manera importante puesto que ciertas partes de ella pueden ser aisladas sin afectar la producción. Otra ventaja que presenta este tipo de redes son las menores caídas de presión

Figura 2.15 Ejemplo instalación cerrada

Una desventaja importante de este sistema es la falta de dirección constante flujo. La dirección del flujo en algún punto de la red dependerá de las demandas puntuales y por tanto el flujo de aire cambiará de dirección dependiendo del consumo. El problema de estos cambios radica en que la mayoría de accesorios de una red (p. ej. Filtros) son diseñados con una entrada y una salida. Por tanto un cambio en el sentido de flujo los inutilizaría. Cabe anotar que otro defecto de la red cerrada es la dificultad de eliminar los condensados debido a la ausencia de inclinaciones. Esto hace necesario implementar un sistema de secado más estricto en el sistema.

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•

Red interconectada: Esta configuración es igual a la cerrada pero con la implementación de bypass entre las líneas principales. Este sistema presenta un excelente desempeño frente al mantenimiento pero requiere la inversión inicial más alta. Además, la red interconectada presenta los mismos problemas que la cerrada.

En

la red interconectada hay un circuito cerrado que permite trabajar en

cualquier sistema de la planta con aire, mediante las conexiones longitudinales y transversales de la instalación de aire comprimido.

Ciertas tuberías de aire comprimido pueden ser bloqueadas mediante válvulas de cierre (correderas) si hay que separarlas para efectuar reparaciones y trabajos de mantenimiento. También existe la posibilidad de comprobar faltas de estanqueidad. Ver figura 2.16

Figura 2.16 Ejemplo red interconectada

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Se va a analizar a continuación otro factor a tener en cuenta a la hora de diseñar nuestra red; la centralización o descentralización de las redes de aire comprimido.

La cuestión de montar una sola estación de aire comprimido o varias estaciones satélites surge cuando hemos de llevar a algún punto de la planta una presión muy elevada, o cuando existen grandes distancias de unos puntos de consumos a otros, en cuyo casos sería muy recomendable usar estaciones satélites para estas zonas debido a sus elevadas demandas de aire o grandes distancias.

Si por lo contrario toda nuestra planta posee puntos de consumos con presiones equiparables o están todos estos puntos cercanas entre sí, sería más recomendable montar solamente una estación y centralizar así el suministro de aire comprimido de la planta.

Las ventajas de una configuración de la red centralizada serían:

Unidades compresión de mayor potencia, lo que supone menor coste de electricidad y mejor potencia específica Menor gasto inicial que unidades más pequeñas de caudal proporcional Menor tiempo de mantenimiento Menor inversión en comunicaciones Menor espacio necesario al centralizar los equipos.

Pero la centralización también conlleva inconvenientes:

Un solo nivel de presión máximo, es decir si dimensionamos la red para una presión máxima de 10 bar no podremos suministrar más de esto en 41

Descripción del Sistema de Aire Comprimido

ningún consumidor y puede darse el caso de que sea necesario en alguna ocasión. Ineficiencia por requerimientos de baja presión, es decir si necesitamos 3 bar en algún consumidor y la red está dimensionada a 10 bar, estamos desperdiciando mucha potencia

Como consecuencia directa de los inconvenientes que supone la centralización de la producción del aire comprimido surge la necesidad de crear estaciones satélites o descentralizar el sistema; cuyas ventajas pueden enumerarse en:

Menor inversión en la red de distribución Menores pérdidas de carga en las tuberías, ahorro de potencia en los compresores Independencia de sistemas

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2.2.2 Configuraciones comunes:

Existen varias fórmulas a la hora de diseñar nuestra instalación de aire comprimido que no sólo se refieren a la distribución de las tuberías o red de aire como se contempló en el apartado anterior. En esta sección se verá un par de soluciones a las posibles configuraciones de los compresores.

A continuación se va a analizar las dos soluciones más comunes a la hora de determinar las configuraciones de los compresores; estas son:

Configuración tres compresores :

Esta configuración consiste en la utilización de 3 compresores para satisfacer nuestra demanda de aire comprimido, dos de ellos trabajaran al 50% y el tercero estará en reserva. Ver figura 2.17

Este tipo de configuración tiene como ventajas:

• Ahorro energético: Esta configuración es típica de plantas en las que el consumo de aire es variable según la época del año o producción de la misma.

• Menor probabilidad de que la planta se quede completamente sin aire, ya que tenemos 3 máquinas para cubrir las necesidades de la planta.

Entre los inconvenientes cabe destacar:

• Inversión inicial: La inversión inicial en la adquisición de compresores será entre un 13% y un 15%.

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Descripción del Sistema de Aire Comprimido • Coste de mantenimiento: El coste de mantenimiento también será mayor ya que hay tres máquinas sobre la que intervenir

Compresor 1 al 50%

Compresor 2 al 50%

Compresor reserva

Figura 2.17 2.1 Configuración 3 compresores con 2 al 50%

Configuración dos compresores :

Consiste en la utilización de dos compresores para cubrir las necesidades de la planta. En este caso los dos compresores trabajan al 100%, es decir, mientras un compresor trabaja al 100% el otro está de reserva y viceversa.

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Un compresor para dar el 100 % del caudal Compresor 1 al 100%

Un compresor del 100 % del caudal en reserva

Compresor 2 reserva al 100%

Figura 2.18 Configuración 2 compresores.

Entre las ventajas de esta configuración encontramos:

• Inversión inicial: La inversión inicial en la adquisición de compresores es menor

• Mantenimiento: menor costes de las máquinas ya que sólo son dos sobre las que hay que intervenir • Espacio: Menor necesidad de espacio en la instalación • Mayor eficiencia energética: Compresores de mayor tamaño al estar ambos dimensionados para los 100%, motores más eficientes.

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Descripción del Sistema de Aire Comprimido El principal inconveniente en este tipo de configuración 2x100% es que si existiera un fallo en uno de los compresores el otro estaría trabajando continuamente al 100%, y en caso de doble fallo o avería no podríamos suministrar aire comprimido a la planta, lo que conllevaría un paro total de esta ya que el aire de instrumentos es vital para el funcionamiento de números equipos entre los que cabe destacar las turbinas o calderas.

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2.2.3 Materiales para el aire comprimido:

Los materiales más comunes en una instalación de aire comprimido son: - Acero - Acero inoxidable - Acero galvanizado - Cobre - Plástico - Aluminio

En una instalación de aire comprimido las tuberías se han de poderse desmontar fácilmente, ser resistentes a la corrosión y de precio módico. Las tuberías que se instalen de modo permanente se han de acoplar preferentemente con uniones soldadas.

La elección del material de las tuberías dependerá: del ambiente, polvo, temperatura, vapores corrosivos, esfuerzos mecánicos, frecuencia de maniobre del aire comprimido, etc.

Acero:

Cuando no exista ningún requerimiento especial, las tuberías de acero son las más utilizadas. Cuando utilizamos este tipo de material o cualquier otro las tuberías deben ser cuidadosamente limpiadas antes de instalarse.

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Siempre que se pueda o que sea adecuado, deberá utilizarse soldadura, lo que originará menos pérdidas por las fugas en conexiones, y además provoca una menor pérdida de presión. Estas tuberías así unidas son estancas y, además de precio económico. El inconveniente de estas uniones consiste en que al soldar se producen cascarillas que deben retirarse de las tuberías. De la costura de soldadura se desprenden también fragmentos de oxidación; por eso, conviene y es necesario incorporar personal de mantenimiento.

Acero inoxidable:

El acero inoxidable suele utilizarse en las industrias mecánicas o eléctricas cuando se tiene altas exigencias en cuanto a la pureza y confiabilidad del sistema de aire.

Acero galvanizado:

En las tuberías de acero galvanizado los empalmes son roscados, estas uniones no son siempre totalmente herméticas. La resistencia a la corrosión de estas tuberías de acero no es mucho mejor que las de acero. Los lugares desnudos (roscas) también se oxidan, por lo que también en este caso es importante emplear unidades de mantenimiento. Para casos especiales se montan tuberías de cobre o plástico

Cobre:

Es utilizado como alternativa al acero inoxidable. Utilizando cobre se facilita el trabajo de instalación comparado con acero inoxidable. 48

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Aunque las conexiones entre los tubos de cobre son menos propensas a las fugas, los componentes de cobre son más caros y la instalación también requiere una gran intensidad de mano de obra, sobre todo en el caso de diámetros grandes.

Plástico:

Debido a sus inconvenientes, se han desarrollado alternativas a los tubos y canalizaciones metálicos tradicionales para instalaciones de aire comprimido. Durante los últimos diez años, se han desarrollado plásticos industriales que presentan una alternativa atractiva a las canalizaciones metálicas. Por ejemplo, las canalizaciones de PVC son relativamente económicas, fáciles de instalar, ligeras y resistentes a la corrosión. Sin embargo, el PVC tiene un inconveniente importante: es frágil.

Por ello, el uso de tuberías de plástico en líneas de distribución de aire debe hacerse con ciertas precauciones.

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Para una presión máxima de 12.5 bar da temperaturas entre -20ºC y + 20ºC u 8 bar hasta +50ºC

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El material no debe ser sobrecalentado

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Tubería de metal deberá utilizarse entre el compresor y el tanque aunque la red de distribución sea de material plástico

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No debe ser sometida a vibraciones

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Seguir cuidadosamente las indicaciones de instalación del fabricante.

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Descripción del Sistema de Aire Comprimido

Aluminio:

El tubo de aluminio garantiza una total usencia de corrosión, la calidad de superficie del aluminio

asegura la distribución de un aire limpio y

duradero.

El aluminio elimina toda la posibilidad de formación del óxido que se forma en las redes de acero. De esta forma se incrementa la longevidad de los equipos y se evita un cambio frecuente de los elementos de filtración.

Vamos a mostrar un pequeño resumen de estos materiales y de algunas de sus características en instalaciones de aire comprimido.

Tubos de acero sin costuras

Tubos acero galvanizado

Tubos acero inoxidable

Tubos cobre

Tubos aluminio

Tubos material sintético

Ejecución

Negro o cincado

Semipesadopesado. Negro o cincado

Sin costura o soldado

Suave en tuberías circulares. Duro en tramos rectos

Recubierto o pintados

Material flexible

Presiones

12.5 hasta 25 bar

10 hasta 80 bar

hasta 80 bar

Según ejecución de 16 hasta 140 bar

14 bar (-30 ºC a 30 ºC)

14 bar (-25 ºC a 30 ºC)

Extremos del tubo

Liso

Cónico, liso o roscado

Liso

Liso

Liso

Liso

Uniones

Soldadura

Conexiones, soldadura

Soldadura ( con gas protector)

Roscas, soldaduras, conexiones

Conexiones enchufables

Conexiones enchufables

Figura 2.19 Tabla de característica de materiales aire comprimido.

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Descripción del Sistema de Aire Comprimido

En la siguiente se tabla se muestran las ventajas e inconvenientes de los materiales más utilizados en las instalaciones de aire comprimido.

Tubos de acero sin costuras

Ventajas

Inconvenientes

Uniones estancas mediante soldaduras, posibilidad de doblar

Corrosión, montajes por operarios experimentados y cualificados en soldaduras. Gran masa en comparación con AL o plástico

Tubos acero Disponibilidad de accesorios, posibilidad de doblar galvanizado

Fugas en las roscas después de uso prolongado. Montaje por operarios experimentados

Tubos acero inoxidable

Uniones estancas mediante soldadura, ausencia de corrosión

Montaje únicamente por operarios cualificados y experimentados, Oferta limitada de accesorios y conexiones, piezas costosas

Tubos cobre

Uniones estancas mediante soldadura, ausencia de corrosión, paredes interiores lisas

Montaje únicamente por operarios cualificados y experimentados, Posibilidad de formación de calcantita, piezas costosas

Tubos aluminio

Uniones estancas mediante soldadura, ausencia de corrosión, paredes interiores lisas, muy ligero, resistente a roturas, Conexiones enchufables

Montaje únicamente por operarios cualificados y experimentados, menor distancia entre apoyos en comparación con los tubos de acero. Limitación hasta 14 barg y limitación de oferta de diámetro.

tubos material sintético

Ausencia de corrosión, flexibles, livianos, resistentes a golpes, exento de mantenimiento, instalación sencilla, conexiones sencillas

Poca longitud, limitación de temperatura, posibilidad de cargas electrostáticas, gran coeficiente de dilatación térmica. Hasta 14 barg

Figura 2.20 Tabla Ventajas/Inconvenientes materiales aire comprimido.

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