Ejemplo de dimensionamiento de una red de aire comprimido

4.-Ejemplo de dimensionamiento de una red de aire comprimido

Llegados a este punto del proyecto vamos a realizar un ejemplo práctico de diseño y dimensionamiento de un sistema de aire comprimido en una planta termosolar

La planta termosolar que se utilizará de ejemplo será una genérica de 300 MW de ubicación en España. Todos los datos necesarios de consumos de válvulas y equipos han sido tomados de hojas de datos y tablas de distintos suministradores, para poder basar así los cálculos en datos fiables

En el anexo I se muestra un plano de ubicación de la planta termosolar así como la situación de los distintos sistemas de la planta que requieren de la instalación de aire comprimido.

Se ha seleccionado una configuración de dos compresores trabajando ambos al 100%. Ver configuración en figura 2.17

4.1 Definición de parámetros de operación y diseño:

Para el cálculo de consumos de esta memoria se consideran las siguientes condiciones normales de presión y temperatura (condiciones ambientales): P = 1 bar Tª= 25 ºC

La temperatura de operación considerada para el sistema de aire comprimido se establece como 30ºC, ya que tras la compresión del aire éste se calienta. Además otro factor a tener en cuenta es que las tuberías de aire comprimido van

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Ejemplo de dimensionamiento de una red de aire comprimido

sin aislar por lo tanto puede producirse un incremento de su temperatura por incidencia directa del sol.

La temperatura de diseño del sistema será 20ºC mayor que la temperatura de operación, es decir 50ºC.

Como el aire de instrumentación es de mayor importancia que el de servicios, ya que una falta de suministro en esta parte de la red supondría un paro de la planta, será este quién marque las exigencias de presión.

Las válvulas de control y equipos presentes en esta planta termosolar marcarán un consumo de aire a presiones que oscilan entre los 6.5 y 9 barg.

4.2 Identificación de sistemas y elementos neumáticos:

En la siguiente tabla se va a proceder a identificar los sistemas de la planta termosolar que requieren del uso de aire comprimido.

Sistema Turbinas Calderas

Aire de instrumentos

Aire de servicios

X X

X X X X X X X

Almacenes Agua de servicios Planta tratamiento aguas Estación de gas

X X X

Talleres Aguas residuales

X X X X

Laboratorio Edifico eléctrico Separador de aceite Agua alimentación Aire comprimido

X X 76 Mª Granada García González

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Sistema

Aire de instrumentos

Contraincendios Dosificación química Agua desmineralizada Vapor alta y media presión

Aire de servicios

X X X X

X

Figura 4.1 Tabla de sistemas que precisan de aire comprimido

4.3 Estimación del consumo de aire comprimido de la planta:

Se va a estimar el consumo de aire de instrumentos y de servicios a los cuales se les añadirá los factores correspondientes de sobredimensionamiento para una estimación más exacta de cada tipo de aire, agrupando en esta sección los puntos 3.3 y 3.5 del capítulo anterior.

De esta forma se obtendrá de una forma más clara el caudal total de aire comprimido necesario en la planta.

4.3.1 Designación de cantidad de Aire de Instrumentos

Para estimar el consumo de aire de instrumentos se considerarán los siguientes parámetros de partida, excepto para el caso de las calderas y de las turbinas.

Consumo unitario de las válvulas de control Factor de simultaneidad de las válvulas de control Consumo unitario de las válvulas todo/nada Factor de simultaneidad de las válvulas todo/nada

1.4 Nm3/h 100 % 2 Nm3/h 15 %

Se va a considerar que la planta ejemplo consta de dos caldera de apoyo que requieren aire de instrumentación; después de consultar varias hojas de datos de suministradores de calderas se va a considerar cada caldera con 12 conexiones

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Ejemplo de dimensionamiento de una red de aire comprimido

para aire de instrumentos y con una presión mínima de suministro de aire de 6.20 barg

Conexiones 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Total

Caudales caldera (aire instrumentos) Kg/s Nm3/h T(ºC) 0.0002 0.608 25.000 0.0050 15.203 25.000 0.0020 6.081 25.000 0.0050 15.203 25.000 0.0050 15.203 25.000 0.0050 15.203 25.000 0.0050 15.203 25.000 0.0002 0.608 25.000 0.0002 0.608 25.000 0.0002 0.608 25.000 0.0002 0.608 79.000 0.0002 0.608 79.000 85.743

m3/h 0.084 1.845 0.770 1.845 1.845 1.845 1.845 0.084 0.084 0.084 0.244 0.244

Figura 4.2 Tabla consumos de aire comprimido de la caldera

Como la planta consta de dos calderas el consumo de aire de ambas calderas será: 84.75*2= 171.5 Nm3/h.

Para las turbinas también se han supuesto consumos un podo más elevados por parte de las válvulas ya que tras búsqueda de información de varios suministradores se ha considerado necesario.

En la siguiente tabla se ve el consumo estimado de aire de instrumentos tras las aclaraciones hechas en párrafos anteriores:

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Sistema

Agua de alimentación

Agua de servicios

Aire comprimido

Contraincendios

Agua desmineralizada / condensado Enfriamiento auxiliar

Purga intermitente

Gas combustible

Vapor Alta y media presión

Tipo de Consumidor

2 Turbinas

Tratamiento de agua

Consumo Unitario 3 (Nm /h)

Factor de Consumo simultaneidad 3 Total (Nm /h) (%)

Válvula de control

0

1.4

100

0

Válv Todo-nada

0

2

15

0

Equipos

0

0

100

0

Válvula de control

0

1.4

100

0

Válv Todo-nada

1

2

15

0.3

Equipos

0

0

100

0

Válvula de control

0

1.4

100

0

Válv Todo-nada

1

2

15

0.3

Equipos

2

0

100

0

Válvula de control

0

1.4

100

0

Válv Todo-nada

0

2

15

0

Equipos

0

0

100

0

Válvula de control

0

1.4

100

0

Válv Todo-nada

0

2

15

0

Equipos

0

0

100

0

Válvula de control

2

1.4

100

2.8

Válv Todo-nada

0

2

15

0

Equipos

0

0

100

0

Válvula de control

0

1.4

100

0

Válv Todo-nada

0

2

15

0

Equipos

0

0

100

0

Válvula de control

2

1.4

100

2.8

Válv Todo-nada

1

2

15

0.3

Equipos

0

0

100

0

Válvula de control

0

1.4

100

0

Válv Todo-nada

0

2

15

0

Equipos

0

0

100

0

24

1.4

100

171.5

Válv Todo-nada

8

2

15

2.4

Equipos

2

3.5

100

7

Válvula de control

22

0.22

100

4.84

Válvula de control

20

0.42

100

8.4

Válv Todo-nada

46

0.42

15

2.898

Equipos

0

0

100

0

Válvula de control

0

1.4

100

0

Válv Todo-nada

0

2

15

0

Equipos

0

0

100

0

Válvula de control 2 Calderas

Nº Total

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Sistema

Tipo de Consumidor

Nº Total

Válvula de control Dosificación química Válv Todo-nada al ciclo Equipos

Consumo Unitario 3 (Nm /h)

Factor de Consumo simultaneidad 3 Total (Nm /h) (%)

0

1.4

100

0

0

2

15

0

0

0

100

0

Válvula de control Dosificación química Válv Todo-nada a refrigeración Equipos

0

1.4

100

0

0

2

15

0

0

0

100

0

Válvula de control

0

1.4

100

0

Válv Todo-nada

0

2

15

0

Equipos

0

0

100

0

Válvula de control

0

1.4

100

0

Válv Todo-nada

0

2

15

0

Equipos

0

0

100

0

Aguas residuales industriales

Aguas residuales sanitarias

Total Válvulas

127

Total

203.538

Figura 4.3 Tabla consumos de aire de instrumentación

Por lo tanto se tienen los siguientes resultados:

Total válvulas 127

Consumo (Nm3/h) 203.54

El número de botellas distribuidoras, dependiendo de la situación de los consumidores y del número de válvulas a alimentar, será de 41 botellas, tal y como se verá en el esquema realizado con el PIPE FLOW en el apartado 4.7.

Como se comentó en secciones anteriores el aire de instrumentación debe ser secado, por lo que además de los factores que se enunciaron en la sección anterior también hemos de tener en cuenta el consumo de aire por parte de los secadores.

Para el cálculo del caudal total de aire de instrumentos se consideraran por tanto los siguientes factores:

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15% purgas secadores (Estos equipos entregan el aire con un punto de rocío de -40ºC.) 10% por posibles fugas 10% para futuros requerimientos. 20% por incertidumbre en el conteo de los instrumentos

Tras aplicar estos factores este caudal se incrementa a un caudal total de:

QI=315.5 Nm3/h 4.3.2 Designación de cantidad de Aire de Servicios:

Para la ilustración de este ejemplo se tendrá en cuenta las siguientes consideraciones:

• Se ha zonificado la planta en 13 zonas en base a los tipos de uso y proximidad.

• Se ha supuesto como hipótesis un radio de acción (alcance) aproximado de 10 m por conexión. En base a esta hipótesis, se ha supuesto un número aproximado de conexiones por zona según el radio de acción, amplitud de la zona a abastecer y tipos de sistemas existentes en la zona.

• Se ha supuesto un consumo medio y factor de simultaneidad por conexión Suponiendo el número de conexiones por zona y un factor de simultaneidad del 30% se obtendrá el valor de la columna de consumo total, primero por zonas y la suma de todas ellas nos dará el caudal total de aire de servicios tal y como se muestra en la siguiente tabla.

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Identificación de consumidores o zonas

Radio de acción de cada conexión (m)

Conexiones

Consumo Unitario (Nm3/h)

Zona Caldera 1

10

5

15

30

22.5

Zona Caldera 2

10

5

15

30

22.5

Zona turbina 1

10

6

15

30

27

Zona turbina 2

10

6

15

30

27

Zona almacenes

10

4

15

30

18

Tanques y agua servicio

10

2

15

30

9

Planta tratamiento agua Tanques Agua demi y condensado

10

1

15

30

2.5

10

4

15

30

18

Zona estación de gas

10

1

15

30

2.5

Taller electromecánico

10

2

15

30

9

Aguas residuales Edificio eléctrico/laboratorio

10

1

15

30

2.5

10

4

15

30

18

Separador aceites

10

2

15

30

9

Total (Qs)

Factor de Consumo Simultaneidad Total (%) (Nm3/h)

43

193.5

Figura 4.4 Tabla consumos de aire de servicios.

El total obtenido de dichas conexiones es de 193.5 Nm3/h. Se añade a dicho consumo: 10% por posibles fugas 10% para futuros requerimientos.

Obteniendo, por lo tanto un caudal total para el aire de servicios de:

Qs = 232.2 Nm3/h

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4.4 Presiones de operación:

Se fijará la presión de operación del sistema en la presión del aire de instrumentos, ya que esta va a ser mayor que la del aire de servicios. Como el aire de instrumentos como máximo fluirá por la tubería a 9 barg; (tal y como se verá en la sección 4.7) según nuestra estimación; y el aire de servicios tiene una presión menor, tomaremos esta como nuestra presión de operación del sistema

La presión de diseño del sistema suele tomarse 1.2 veces la de operación; en este caso 10.8 barg.

4.5 Factores para dimensionamiento:

Como bien puede recordar el lector todos los factores a tener en cuenta para el cálculo final del caudal de aire comprimido fueron aplicados directamente en el punto 4.3, teniendo así los caudales totales de aire de instrumentos y de aire de servicios. Por lo tanto el caudal final de aire comprimido de nuestra planta será:

Qf= QI + Qs= 315.5 +232.2= 547.7 Nm3/h

4.6 Dimensionamiento de la red:

En esta apartado en lugar de dimensionar las tuberías tal y como se mostro en la sección 3.6, se van a calcular sus diámetros conjuntamente con el punto 4.7 de cálculo de pérdidas de carga.

Las pérdidas de la red de aire comprimido van a ser calculadas con un programa que nos va a permitir introducir los diámetros de las tuberías y modificarlos cuantas veces sea necesario hasta obtener los valores de presión deseados.

83 Mª Granada García González

Ejemplo de dimensionamiento de una red de aire comprimido

Teniendo en cuenta el caudal de aire de cada tramo de tubería se hará una estimación del diámetro y si esto no es correcto o las pérdidas de carga son muy elevadas este se aumentará y en caso contrario se disminuirá.

4.7 Cálculo de pérdidas de carga:

En la sección 3.7 del proyecto que nos ocupa se mostraron varios métodos para el cálculo de las pérdidas de carga de la instalación, no obstante se ha decidido realizar el cálculo de éstas mediante la utilización del programa PIPE FLOW por ser bastante ilustrativo e intuitivo, además de dar una visión general de cómo sería una instalación de aire comprimido.

Antes de comenzar el cálculo de las pérdidas de carga se va a hacer una breve introducción del PIPE FLOW y de su manejo.

El PIPE FLOW EXPERT está diseñado para ayudar a analizar y resolver una amplia gama de problemas en los que el objeto de estudio debe ser la pérdida de caudal y presión a través de una red de tuberías determinado. Este programa permite dibujar un complejo sistema de tuberías y analizar el flujo que circula por ellas, en el caso que nos ocupa aire comprimido.

Figura 4.5.Imagen PIPE FLOW EXPERT

84 Mª Granada García González

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El PIPE FLOW EXPERT nos va permite hacer un análisis del flujo y tuberías a las condiciones de operación del fluido, dándonos resultados finales por tramos de tuberías que incluyen:

Velocidades del flujo Números de Reynolds Las pérdidas de componentes Caída de presión en el tramo Las presiones en los nodos Los factores de fricción

Se podrá elegir las unidades de medida de los datos de entrada y salida, así como elegir las variables de entrada a la hora de diseñar el sistema de aire comprimido,

PIPE FLOW EXPERT permite diseñar una red de aire comprimido de manera rápida, sencilla e intuitiva.

Con sus herramientas se dibujará de

forma

esquemática el sistema, este programa permite incluir no sólo el trazado de tuberías, sino también tanques, bombas, válvulas, válvulas de control, etc.

Figura 4.6.Imagen Interface PIPE FLOW EXPERT

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Como primer paso en el diseño de la red de aire comprimido se seleccionará el compresor, como el programa no ofrece esta opción se tratará como un tanque presurizado, al cual se le añadirá la presión en la casilla Surface Pressure. En principio se añade la presión mínima necesaria que requiere el sistema de aire comprimido en el punto más lejano, 6.2 barg en las calderas, pero se podrá modificar cuantas veces sea necesario y rehacer los cálculos hasta obtener los resultados deseados.

Figura 4.7.Imagen características tanque

Una vez colocado el tanque que hará las funciones de compresor se podrá comenzar a trazar la tubería de aire comprimido. Las tuberías se unirán unas con otras mediantes nodos. Ver figura 4.8

Figura 4. 8. Colocación tuberías PIPE FLOW EXPERT

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Como se puede ver en la figura 4.8 el programa asigna directamente un número a cada nodo de tubería colocado; esto facilitará mucho el trabajo a la hora de analizar los resultados, ya que el report de cálculos viene dividido por tamos de tuberías y nombrado según los números de los nodos. Todo ello se verá más adelante cuando se obtengan los resultados del sistema de aire comprimido que se está estudiando.

Por otro lado a cada tramo de tuberías que se coloque se le podrá introducir la longitud, el material, el diámetro, la rugosidad y la valvulería para calcular de esta forma las pérdidas de carga por tramo lo mas exactas posibles. Algo vital que no se puede olvidar es introducir el fluido que circula por la tubería y las condiciones tanto de presión como de temperatura a las que se encuentra. Ver figura 4.9

Figura 4. 9. Selección del fluido y condiciones de operación.

Una vez aclarado estos conceptos se va a comenzar a trazar nuestra red de tuberías de aire comprimido.

Lo primero que se realizará será la selección del material de la tubería, en este caso se utilizará acero galvanizado para el aire de servicios y acero inoxidable para el aire de instrumentación y la salida del compresor.

87 Mª Granada García González

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Figura 4.10 Selección materiales tuberías

Como se puede observar en la figura 4.10 el programa da la opción de elegir numerosos tipos de material, con distintos Schedule además de mostrarnos el rango de diámetros en los que estos están disponibles. Si el material que se desee no se encuentra entre las opciones del programa se podrá añadir un nuevo material con las características que interesen.

Este proceso de elección del material se ha de realizar con la colocación de cada nuevo tramo de tubería, tanto para el aire de servicios como para el de instrumentación.

Una buena opción es diseñar en primer lugar la red de aire comprimido y una vez terminada y visualizada comenzar a modificar las propiedades de cada tramo de tuberías, es decir seleccionar diámetro, material, fluido, introducir longitud y valvulería. Ver figura 4.11

88 Mª Granada García González

Ejemplo de dimensionamiento de una red de aire comprimido

Figura 4.11 Sistema aire comprimido

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La figura 4.11 representa la distribución que se ha supuesto para el sistema de aire comprimido. Como se puede observar se ha colocado sólo un compresor aunque la planta posea dos ya que estos trabajan 2 al 100%, es decir, uno trabajando al 100% y el otro parado y viceversa. Por este motivo y para hacer más visual los cálculos no se ha introducido el otro compresor, ya que ambos deben estar dimensionados para el 100% del caudal de aire comprimido.

También se han colocado los filtros/postfiltros y secadoras simulándolos con cajas con pérdidas de carga asociadas. Estas pérdidas de carga se han obtenido de las hojas de datos de suministradores, siendo de 0,2 bar para las secadoras y de 0.5 bar. (Pérdidas de carga recomendadas por el manual del aire comprimido de Atlas Copco)

Se observa en la figura 4.11 que a la salida del compresor está el colector común para ambos aires, llegados a un punto estos se bifurcan diferenciándose claramente el aire de instrumentación (tubería roja) del aire de servicios (tubería blanca).

La red de aire de servicios tiene 13 tomas de aire comprimido según las zonas de la planta termosolar indicadas en la tabla 4.4. Para el aire de instrumentación se ha supuesto una configuración con 41 barriles distribuidores de aire comprimido, los cuales han ubicado atendiendo a la ubicación de los sistemas y equipos en la planta (ver Anexo I), así como a los diferentes consumos. Mencionar que pueden existir diferentes configuraciones validas para la red de aire comprimido; pueden reducirse o aumentarse el número de tomas o barriles distribuidores. La variación del número de barriles de aire comprimido afectará a la velocidad del caudal de aire comprimido en la tubería y a las pérdidas de carga del tramo de red; pero siempre que se esté dentro de los márgenes de presión o consideraciones marcadas la distribución será válida.

El colector común se ha dimensionado para todo el caudal de aire comprimido que requiere nuestra planta, que era igual a la suma del caudal del aire de 90 Mª Granada García González

Ejemplo de dimensionamiento de una red de aire comprimido

instrumentación y servicios 547.7 Nm3/h. Este tramo de tuberías se ha dimensionado inicialmente en 3”, ya que las instalaciones de aire comprimido no suelen tener grandes dimensiones.

Si al analizar el report final con los cálculos se observa que las caídas de presión son muy altas en este tramo de línea se aumentará este diámetro a 4”, y así sucesivamente hasta conseguir los valores deseados de pérdidas de carga. Ver figura 4.12

Figura 4.12 Diámetro colector principal.

El colector principal de las tuberías del aire de instrumentación

se ha

dimensionado para 2”, ya que su caudal es de 315. 5 Nm3/h. Se ha utilizado acero inoxidable, ya que se precisa para la instrumentación de la planta aire de gran pureza y calidad.

El fluido para este tipo de aire se ha seleccionado como aire a 30ºC y 9 barg, ya que el aire de instrumentación está trabaja entorno a este valor. Ver figura 4.13

91 Mª Granada García González

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F igura 4.13 propiedades aire de servicios

Para las conexiones de los barriles de aire de instrumentación se ha dimensionado inicialmente la tubería para 1 ½”, aunque este diámetro se modificará si resultan pérdidas de carga muy altas en estos tramos de tuberías. Cada barril distribuidor de aire comprimido tiene una capacidad de 15 Nm3/h, por lo tanto lo que se ha de hacer es repartir los consumos de aire de instrumentos de la tabla 4.3 en 41 tomas según las zonas y consumos quedando la distribución de aire de instrumentos como se muestra en la figura 4.14.

92 Mª Granada García González

Ejemplo de dimensionamiento de una red de aire comprimido

Figura 4.14 Distribución aire de instrumentos

93 Mª Granada García González

Ejemplo de dimensionamiento de una red de aire comprimido

Para el aire de servicios el proceso seguido ha sido el mismo; se han fijado las propiedades de este tipo de aire en 30ºC y 8 barg, un poco más baja que la del aire de instrumentación. Ver figura 4.15. Como el aire de servicios trabaja a menor presión que el aire de instrumentos, se ha de dimensionar el compresor y la red para el caso más desfavorable, por lo que se ha de colocar válvulas en cada toma del aire de servicios para así obtener las presiones deseadas en las conexiones. Recordar que han de tenerse en cuenta las pérdidas que proporcionan estas válvulas de conexión.

F Figura 4.15 Propiedades aire de servicios

Se ha dimensionado el colector principal de la instalación de servicios en 2” y cada una de las conexiones de mangueras flexibles de las zonas enumeradas en la tabla 4.4 se han dimensionado en ½”, 13 en total, ya que todas las mangueras se calcularon para un caudal de 15 Nm3/h, y aunque no todas las conexiones se utilicen a la vez se considerará para el cálculo con el PIPE FLOW el caso más desfavorable. Para no hacer un cambio brusco de diámetro entre los tramos de 2” y la toma de ½” se han colocado pequeños tramos de tuberías de 1 ½” evitando así grandes pérdidas de carga en estas zonas. 94 Mª Granada García González

Ejemplo de dimensionamiento de una red de aire comprimido

La distribución del aire de servicios quedaría:

Figura 4.16 Distribución aire de servicios

Las longitudes de las tuberías de toda la instalación de aire comprimido se conseguirán del plano de implantación de la planta termosolar (Ver Anexo I), estimando la colocación de las salidas de aire y sumando a estas distancias las posibles subidas y bajadas del rack de tuberías.

Otro factor que se ha de tener en cuenta es la estimación de codos y t´s. Por cada 10m de tubería que se tengan se han de asignar las pérdidas de carga de un codo, una “t” y 3 válvulas.

95 Mª Granada García González

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Figura 4.17 Pérdidas de carga accesorios

Como se puede ver en la figura 4.17 el PIPE da la opción de elegir los elementos con pérdida de carga que añadir en los tamos de tuberías. El programa da una descripción del accesorio así como un valor de K estimado. Con el PIPE FLOW EXPERT también se podrá añadir cualquier otro accesorio que se desee e introducir sus propiedades.

Una vez finalizado este proceso se va a proceder a calcular las pérdidas de carga en la instalación de aire comprimido, para ello antes se fijará la presión del compresor en 9 barg, para conseguir cumplir el requisito de llegar con 6.20 barg a calderas; ya que esta presión es la más exigente y la que se está marcando el diseño de la instalación.

96 Mª Granada García González

Ejemplo de dimensionamiento de una red de aire comprimido

Al simular el sistema se observa que no se suministra la presión suficiente a la zona de calderas y sin embargo la pérdida de carga en los tramos de tuberías son razonables, por lo que están bien dimensionados. Se irá aumentando la presión del compresor y simulando hasta que se consiga obtener un valor superior a 6.20 barg en calderas.

Después de varios intentos finalmente con 10.4 barg se conseguirá llegar a la zona de calderas con una presión un poco superior a 6.20 barg. Ver figura 4.18

Figura 4.18 Dimensionamiento compresor.

Ya se ha conseguido dimensionar el compresor del sistema de aire comprimido para un valor máximo de 10.4 barg; llegados a este valor el compresor parará.

97 Mª Granada García González

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A continuación se va mostrar un extracto del report de resultados generado por el PIPE FLOW EXPERT, donde se verá con más claridad las presiones en los nodos, las velocidades de los distintos tramos de tubería etc.

Pipe Name

Length

Total K

Velocity

Entry Pressure

Exit Pressure

Entry to Exit Loss

P1 P2 P3 P4 P5 P6 P7 P8 P9 P10 P11 P12 P13 P14 P15 P16 P17 P20 P22 P23 P24 P25 P26 P27 P28 P29 P30 P31 P32 P33 P34 P35 P36

3 6 6 6 3 3 35 30 20 35 0,5 25 70 17 10 10 135 70 46 15 20 100 2,5 5 105 5 5 3,048 5 2,5 10 3,048 20

2,12 7,64 2,52 2,12 2,12 2,52 7,64 0 0 0 0,09 0 42,87 9,12 11,34 35,31 10,08 42,87 10,08 5,04 0 25,2 0 1,14 35,31 2,52 0 0 2,52 0 4,24 0 1,28

18,703 18,703 18,703 18,703 15,159 18,703 18,703 0,175 7,368 3,684 7,368 7,368 3,684 2,205 11,052 14,736 14,736 7,368 17,637 19,841 19,841 7,368 3,859 19,841 3,684 0,175 0,789 0,175 0,175 19,841 17,532 1,228 1,228

10,0965 9,8133 10,0965 10,4 10,0367 9,9373 9,6661 7,585 7,4147 7,3588 7,3588 7,8272 7,8272 8,9964 7,2081 7,7061 9,311 7,7562 8,9964 9,311 7,585 7,7562 6,4594 6,9032 8,998 6,7596 7,6919 5,8963 6,6991 6,7596 6,9032 6,7175 6,632

10,0367 9,311 9,8133 10,0965 9,9373 9,6661 7,7565 7,5918 7,3588 7,3341 7,2692 7,7562 7,7554 8,998 7,0756 7,2081 7,7061 7,4486 8,3183 8,9964 6,9032 7,4147 6,4574 6,7596 8,8983 6,7581 7,6902 5,8948 6,6976 6,6991 6,7258 6,7227 6,6357

0,0599 0,5023 0,2832 0,3035 0,0993 0,2713 1,9095 -0,0069 0,0559 0,0247 0,0896 0,0709 0,0718 -0,0016 0,1325 0,498 1,6049 0,3076 0,6781 0,3146 0,6817 0,3415 0,0019 0,1437 0,0997 0,0015 0,0017 0,0015 0,0015 0,0605 0,1774 -0,0052 -0,0037

Figura 4.19 Tabla resultados PIPE FLOW EXPERT; compresor 10,4 barg

98 Mª Granada García González

Ejemplo de dimensionamiento de una red de aire comprimido

Sería bastante interesante saber la presión a la que arrancará el compresor, valor el cual hará falta para el futuro dimensionamiento de los tanques, para ello se supondrá que todas las tomas de aire de la instalación están cerradas excepto las de las zonas de calderas; que en esta aplicación está marcando las exigencias del aire comprimido.

Para ello se cerrarán todas las tuberías en el PIPE FLOW EXPERT. En la figura 4.19 se muestran estas conexiones cerradas con aspas en las tuberías y con un color más claro.

Figura 4.20 Cierre conexiones excepto calderas

Una vez cerradas todas las conexiones tanto del aire de servicios como del aire de instrumentación, se calculará la presión necesaria en el tanque de instrumentos para que a las calderas lleguen como mínimo 6.20 barg.

99 Mª Granada García González

Ejemplo de dimensionamiento de una red de aire comprimido

Figura 4.21 Presión mínima en zona calderas

Tras simular con el PIPE FLOW se observa que debe haber entorno a 6.5 barg de presión en el tanque, por lo tanto el compresor deberá de empezar a funcionar un poco antes para evitar posibles faltas de suministro de aire, por ejemplo a los 6.6 barg. Este será el valor de arranque del compresor.

En la siguiente tabla se muestran el report de resultados para un compresor tarado a 6.6 barg con todas las conexiones cerrada exceptuando las de calderas

Pipe Name P7 P24 P34 P35 P36 P37 P39 P40 P49 P67 P68 P80 P81 P90 P95

Length Total K Velocity 35 45 10 3,048 20 3,048 20 10 5 10 20 5 3,048 5 2,5

7,64 0 4,24 0 1,28 0 4,24 5,04 0 0 6,48 2,52 2,52 2,52 0

0,765 0,765 0,765 0,263 0 0,263 0,45 0,751 0,765 0,45 0,526 0,263 0,292 0,225 0,263

Entry Pressure 6,52 6,5119 6,5109 6,5101 6,5105 6,5101 6,5105 6,5102 6,512 6,5105 6,5105 6,5167 6,5167 6,5167 6,5167

Exit Pressure 6,512 6,5109 6,5105 6,5156 6,5159 6,5156 6,5102 6,5167 6,5119 6,5105 6,5101 6,5152 6,5167 6,5152 6,5167

Entry to Exit Loss 0,008 0,001 0,0004 -0,0054 -0,0054 -0,0054 0,0002 -0,0065 0,0001 0,0001 0,0004 0,0015 0 0,0015 0

Friction Factor 0,03849 0,03849 0,03849 0,04722 0 0,04722 0,04039 0,042 0,03849 0,04039 0,04332 0,04722 0,04261 0,04841 0,04722

100 Mª Granada García González

Ejemplo de dimensionamiento de una red de aire comprimido P96 Closed. P30 Closed. P50 Closed. P47 Closed. P46 Closed. P52 Closed. P51

2,5

0

0,263

6,5167

6,5152

0,0015

0,04722

5 50 5 25 25 1400

Figura 4.22 Tabla resultados PIPE FLOW EXPERT; compresor 6.6 barg

Una vez calculadas las perdidas de carga en la instalación de aire comprimido, dimensionadas las tuberías y calculado el compresor, se puede continuar con el diseño de la instalación de aire comprimido.

101 Mª Granada García González

Ejemplo de dimensionamiento de una red de aire comprimido

4.8 Selección de equipos:

4.8.1 Selección del compresor:

El compresor seleccionado para la instalación de aire ha de cumplir los siguientes parámetros calculados en las secciones anteriores:

•

Temperatura de operación: 30ºC

•

Temperatura de diseño: 50ºC

•

Presión de arranque: 6.6 barg (760 Kpa). No se va a estimar la presión un 15% más alta tal y como se recomendó en la sección 3.8.1 porque en el diseño de la red con el PIPE FLOW EXPERT se ha incrementado ya en este porcentaje la cantidad de valvulería por tramo de tubería.

•

Presión de Paro : 10.40 barg (1040 Kpa)

•

Presión de diseño: Se tomará como presión de diseño del compresor 1.2 veces la de operación máxima; en este caso sería 1.2*10,40 barg; por lo tanto la presión de diseño será de 12,5 barg

•

Caudal de operación: 547, 7 Nm3/h

•

Caudal máximo: será de 1.2 veces es de operación; por tanto 657.3 Nm3/h

4.8.2 Selección de los tanques de instrumentación y servicios:

Tanque de aire de instrumentos:

Para el cálculo de volumen del tanque de aire de instrumentos se tiene en cuenta:

102 Mª Granada García González

Ejemplo de dimensionamiento de una red de aire comprimido

1. Tiempo de residencia de 15 minutos. 2. El caudal que llega al tanque de instrumentos después de pasar por las secadoras será el caudal total del aire de instrumentos menos el 15% , factor que se consideró en el punto 4.3.1 para dichos equipos:

Qtanque A.I= 268.17 Nm3/h

3. Presiones de arranque y paro del compresor son 6.6 barg y 10.40 barg respectivamente. Se parte de la ecuación de los gases nobles:

P ⋅V = n ⋅ R ⋅ T n=

P ⋅V R ⋅T

(4.1)

Volumen que ocupa1 mol de gas: 0.0224 m3 (1 bar, 0ºC).

Por lo tanto: 1 mol aire= 0.0248 m3 (1 bar, 25ºC).

Volumen de aire almacenado en el tanque (Va) @1 bar & 25ºC:

Va = n ⋅ 0.0248 m 3 mol

n=

Va (m 3 ) 0.0248 (m 3 mol )

(4.2)

(4.3)

Considerando que la cantidad de masa es invariable independientemente de las condiciones a las que se encuentre el gas, se puede igualar el número de moles a condiciones normales (1 bar; 25ºC) con el número de moles a las distintas condiciones de operación que proporciona el compresor:

103 Mª Granada García González

Ejemplo de dimensionamiento de una red de aire comprimido

Arranque del compresor: 6.6 barg 30ºC. Paro del compresor: 10.4 barg, 30ºC.

Cantidad de aire en el proceso de despresurización:

(Vsi − Vsf )m 3 V AI ( Pi − Pf ) = (4.4) 3 R ⋅ TTQ 0.0248 m mol

Teniendo en cuenta que: Vsi − Vsf = Qaire ⋅ θ

(4.5)

Siendo θ= tiempo de residencia

Despejando de la ecuación 4.3, quedaría:

V AI =

R ⋅ TTQ ( Pi − Pf ) ( Pi − Pf )

⋅

Qaire ⋅ θ 3 0.0248 m mol

(4.6)

Sustituyendo los valores de las incógnitas: •

Presión de arranque y paro para el tanque: PF= 10.4 barg pasado a Kpag sería 1040 Kpag PI= 6.60 barg pasado a Kpag sería 660 Kpag

•

Tiempo de residencia= 15 minutos

•

TªTQ= 30ºC= 303 ºk

•

Qaire= 268.17 Nm3/h

•

R= 8.314 ⋅ 10 −3 KPa ⋅ m

3

mol ⋅ K

104 Mª Granada García González

Ejemplo de dimensionamiento de una red de aire comprimido

VAI =

∗ .

.

.

∗ .

(4.6)

Resolviendo la ecuación 4.6 se obtiene una capacidad del tanque de aire 3

de instrumentación de VAI = 18 m

Tanque de aire de servicios:

Con el fin de respaldar la red de aire de instrumentos, el tanque de aire de aire de servicios debe estar preparado para abastecer las necesidades del aire de instrumentos por si se produce algún fallo en este suministro. Por lo tanto tendrá la misma capacidad que el tanque de aire de instrumentos

Por lo tanto la capacidad del aire de servicios será también de VAs = 18 m

3

Una vez calculados los compresores y tanque lo único que se ha de tener en cuenta para los filtros/posfiltros y secadora, es que estas estén dimensionadas para el caudal que deben filtra y secar respectivamente.

Los filtros deben estar dimensionadas para el caudal total de la planta, es decir para 547.7 Nm3/h.

El sistema llevará dos secadoras porque tras la bifurcación del aire de servicios el aire de instrumentación se separará en dos ramales, estando así las secadoras y posftiltros por duplicado y dimensionados para el 100% de este caudal de instrumentación 315.5 Nm3/h.

105 Mª Granada García González

Ejemplo de dimensionamiento de una red de aire comprimido

Tanto los postfiltros como las secadoras trabajaran al igual que los compresores en una configuración 2 al 100%, para que en caso de fallo o avería no se quede nunca la planta sin suministro de aire de instrumentación

Los postfiltros al estar situados detrás de las secadoras deberán de filtrar el caudal de instrumentación menos el 15% consumido por las secadoras, es decir 268.2 Nm3/h.

106 Mª Granada García González