0. fundamento del aire comprimido

Bogot, agosto de 2011Fundamentos Bsicos de la Ciencia del Aire Comprimido

Contenido1. Principios bsicos del aire comprimido

2. Tipos de compresores

3. Calidad del aire comprimido

Norma ISO 8573.1

Norma ISA 7.0.01 1996

4. Cmo analizar un sistema de aire comprimido nuevo y existente

Lado de la demanda

Lado del suministro

Sistema de distribucin

Tanque de almacenamiento de aire .

1. Principios bsicos del aire comprimido

Qu es el aire comprimido?El aire comprimido es considerada la cuarta fuente de energa, utilizada en los distintos procesos productivos despus de la electricidad, petrleo y gas.

Ventajas del Aire ComprimidoAbundante: Est disponible para su compresin prcticamente en todo el mundo, en cantidades ilimitadas.

Transporte: El aire comprimido puede ser fcilmente transportado por tuberas, incluso a grandes distancias.

Antideflagrante: No existe ningn riesgo de explosin e incendio.

Velocidad: Permite obtener velocidades de trabajo muy elevadas.

A prueba de sobrecargas: Las herramientas neumticas pueden operar hasta su parada completa sin riesgo alguno de sobrecargas.

Desventajas del Aire ComprimidoPreparacin: El aire comprimido debe ser preparado, antes de su utilizacin.

Compresible: El aire comprimido no permite obtener velocidades uniformes y constantes en cilindros neumticos.

Escape: El escape de aire produce alta contaminacin sonora

Fuerza: Lmite de trabajo para cargas entre 2000 a 3000 Kg.

Costos: El aire comprimido es una fuente de energa costosa.

Factores a tener en cuenta en la seleccin de un sistema de aire comprimidoPresin atmosfrica:Presin manomtrica:Sitio de operacin

Proceso productivo

Factores a tener en cuenta en la seleccin de un sistema de aire comprimidoHumedad relativa:Punto de rocio:Es la relacin entre cunto vapor de agua existe en el aire, comparado con cunto vapor de agua podra haber como mximo en el aire, a condiciones de saturacin.La Temperatura a la cual la humedad (vapor de agua) comienza a condensarse cuando el aire es enfriado a una presin constante. La Humedad Relativa es del 100%

Se refiere al volumen de aire que sale del compresor, medido en la brida de descarga.Capacidad - Unidad de medida ACFMPies Cbicos por Minuto Actuales (Actual Cubic Feet per Minute).

Capacidad Hoja CAGI Compressed Air and Gas Institute

Capacidad Unidad de medida SCFMPies Cbicos por Minuto Standard(Standard Cubic Feet per Minute).

Se refiere al volumen de aire comprimido a unas condiciones de referencias:

ISO 1217 & CAGI14,5 Psia, 68F (20C) y 0% HR

Oil and Gas 14,7 Psia, 60F (15,5C) y 0% HR

Equivalencias entre Acfm - Scfm

Equivalencias entre Acfm - ScfmEl siguiente ejemplo tiene como finalidad mostrar la influencia de las condiciones ambientales del sitio de operacin en la seleccin del compresor de aire comprimido. Se requiere un compresor para un flujo de 80 scfm @ 125 psig para operar en las ciudades de Bogot y Cartagena.

2. Tipos de compresores

Un compresor de aire es una mquina diseada para comprimir aire desde una presin inicial de entrada, normalmente presin atmosfrica, hasta una presin de descarga ms alta.

Evolucin de los Compresores de Aire

Compresores de Desplazamiento PositivoEl aumento de la presin del aire comprimido es como consecuencia de la reduccin de volumen.

El flujo de aire comprimido entregado por este tipo de compresores es intermitente, ya que son pequeos paquetes de aire comprimido que son entregados.

Compresores de Desplazamiento PositivoReciprocantesLos compresores reciprocantes son aquellos en los cuales se comprime el aire mediante un pistn que se mueve alternativamente dentro de un cilindro.

Compresores de Desplazamiento PositivoReciprocantes de simple accinLos compresores de simple accin: son aquellos en los cuales la compresin se efecta mientras el pistn se mueve en una sola direccin dentro del cilindro, comprimiendo solamente en la parte superior del pistn.Ventajas:Bajo peso y tamao.No requiere sistema de enfriamiento independiente.Procedimientos de mantenimiento sencillos.

Compresores de Desplazamiento PositivoReciprocantes de simple accinDesventajas:

Alto nivel de ruido.

Generalmente diseados para no operar a ms del 50% del ciclo de operacin. Algunos diseos tienen un ciclo de trabajo pesado (70 90%).

Alto costo de compresin, presin de descarga superior a la requerida.

Acarreo de aceite, como consecuencia del desgaste de anillos.

Potencia inferior a 25 HP

Compresores de Desplazamiento PositivoReciprocantes de simple accin

Compresores de Desplazamiento PositivoTornillos LubricadosVentajas:

Operacin continua / Bajo nivel de ruido

Tamao compacto y paquete completo

Costo inicial relativamente bajo

Operacin libre de vibracin, no se requiere de fundacin especial

Rutinas de mantenimiento incluye cambio de filtros y lubricantes.

Disponibles en potencias desde 5 hasta 500 HP

Compresores de Desplazamiento PositivoTornillos LubricadosDesventajas:

Menos eficiente tanto a full como a carga parcial, comparado con compresor reciprocante multi etapa enfriado por agua.

Cambios peridicos del lubricante

Para contrarrestar el acarreo de aceite en el aire comprimido, se debe realizar mantenimiento al elemento separador.

Compresores de Desplazamiento PositivoTornillos Lubricados

Compresores de Desplazamiento PositivoTornillos Libre de AceiteVentajas:

Operacin continua

Bajo nivel de ruido

Diseado para entregar aire 100% libre de aceite

Completamente paquetizado

No requiere una fundacin especial

Compresores de Desplazamiento PositivoTornillos Libre de AceiteDesventajas:

Inversin inicial mayor, al compararlo con un compresor de tornillo lubricado

Menos eficiente que un compresor de tornillo lubricado

Mayor costo de mantenimiento al compararlo con un compresor de tornillo lubricado, unidad de aire debe ser remplazada peridicamente

Sistema de control de capacidad: carga descarga

Compresores de Desplazamiento PositivoTornillos Libre de Aceite

Compresores Dinmicos - CentrfugosUno o mas impulsores imparten velocidad al aire succionado. La energa cintica se convierte en energa de presin en un difusor corriente abajo.

Compresores Dinmicos - CentrfugosVentajas:

Diseado para entregar aire 100% libre de aceite

Completamente paquetizado para aire de planta o instrumentacin.

No requiere una fundacin especial

Desventajas:

Alto flujo

Control de modulacin limitado a un rango de operacin, requiere realizar descarga para reducir capacidad.

Alta velocidad de rotacin: requiere de bujes especiales y sofisticado sistema de monitoreo de vibracin.

Consideraciones de mantenimiento especializado.

Enfriamiento por agua

Compresores Dinmicos Centrfugos API672

3. Calidad del Aire Comprimido

Calidad del Aire Comprimido

Eliminacin de la contaminacin por partculas

Las partculas se convierten en una fuerza que daa y destruye sus herramientas neumticas, equipos e instrumentos como consecuencia del efecto sandblasting.

Desgaste prematuro

Superficies erosionadas

Orificios taponados

Acabados e instrumentos daados

Paradas no programadas de produccin, disminucin de la calidad y productividad

Filtro de Partculas y PolvoEste filtro se caracteriza porque retiene las partculas por medio delmecanismo de interseccinF35ID F2378ID: Este filtro se caracteriza porque retiene partculas con tamao superior igual a 1 micrn con eficiencia del 99.5%.

Eliminacin de la contaminacin por humedad

La presencia de humedad, agua en estado lquido o vapor, en el aire comprimido conlleva a:

Corrosin en la tubera del sistema, instrumentacin y equipos.

Dao en procesos de pintura, etiquetado, empacado, hilado, litografa, etc.

Prdidas de productividad a lo largo y ancho de su operacin

Lubricacin inadecuada de las herramientas neumticas

Eliminacin de la contaminacin por humedad

Secador regenerativo:

Clase 1: -100 oF (-70 oC)

Clase 2: -40 oF (-40 oC)

Clase 3: -4 oF (-20 oC)Secador refrigerado: Clase 4: 33 / 39oF (4 oC)

Clase 5: 45 oF (7 oC)

Clase 6: 50 oF (10 oC)

Secador Regenerativo sin Calor:Se obtiene un punto de Roco muy bajo sinpotencial de congelamiento: -70 oC

Costo de operacin moderado para el puntode Roco alcanzado.

El control puede operar neumticamentepara instalar en rea clasifica y lugares remotos.

Recomendado para bajo flujo

Costo de capital inicial relativamente alto

Se requiere aire de purga del 12 a 15%

Reemplazo peridico del material desiccant, 3 a 5 aos

Secador Regenerativo con Calor Externo:Se obtiene un punto de Roco muy bajo sinpotencial de congelamiento: -70 oC


Recomendado para medio y alto flujo


Se requiere aire de purga del 7% y consumoadicional de energa elctrica para el calentador


Riesgo de incendio al operar con compresorlubricado

Secador Regenerativo con Calor Externo y SopladorSe obtiene un punto de Roco muy bajo sinpotencial de congelamiento: -70 oC

No se requiere aire comprimido


Recomendado para alto flujo


Consumo adicional de energa elctrica parael calentador y soplador


Costo de Operacin Secador Regenerativo

Secador Refrigerado: Clase 4, 5 & 6

Secadores Refrigerados Cclicos & No Cclicos

Calidad del Aire Comprimido: ISO 8573.1La norma ISO 8573.1 especifica los contaminantes del aire comprimido en tres (3) categoras:

Partculas

Humedad - Punto de Roco

Vapores y aerosoles de aceite

Calidad del Aire Comprimido

ISA 7.0.01 1996

Quality Standard for Instrument Air

12 de Noviembre de 1996

Partculas:

El mximo tamao de partcula aceptada por la mayora de los dispositivos neumticos es de 40 micrones.

Dispositivos neumticos que requieran un tamao de partcula inferior a 40 micrones, debern contar con filtracin adicional para el tamao de partcula requerida.

Se recomienda instalar un filtro de partculas a la descarga del secador regenerativo para evitar la presencia de slica en el sistema de aire comprimido.

Las partculas pueden ser introducidas al sistema de aire comprimido por muchas fuentes: medio ambiente, formacin de xido y herrumbre y polvo de material desiccant (almina slica)ISA 7.0.01-1996

Punto de Roco:

El aire comprimido deber ser secado a un punto de Roco de 10 oC (18 oF) por debajo de la Temperatura mnima a que es expuesto el sistema de distribucin o usuario final. El punto de Roco del aire comprimido no exceder 4 oC (39 oF) ISA 7.0.01-1996

Aceite: El contenido de aceite deber ser tan cercano a cero (0) y bajo ninguna circunstancia debe exceder una (1) ppm. El aceite puede afectar el punto de Roco y la vida til del material desiccant (secador regenerativo). Adems puede ser una fuente potencial para incendios en secadores regenerativos con calor externo.

La presencia de aceite en el sistema de aire comprimido deber ser evaluada su compatibilidad con los usuarios finales. Algunos actuadores neumticos utilizan el aceite recomendado por el fabricante, si un lubricador automtico es usado para este caso, se recomienda su instalacin en el punto de uso.ISA 7.0.01-1996

Otros contaminantes:

La admisin del compresor ser localizada en un rea libre de contaminantes potenciales como vapores txicos y corrosivos, gases y vapores inflamables, polvo de combustible y fibras inflamables.

La admisin del compresor no debe ser ubicada en un rea clasificada como las definida por NFPA 70, National Electrical Code (Chapter 5, article 500 Hazardous Locations).ISA 7.0.01-1996

4. Cmo analizar un sistema de aire comprimido nuevo y existente

Lado de la Demanda:

Lado de la Demanda:1. La cantidad de aire comprimido que se necesita:

Cul es el uso?

Identifique y tabule flujo y presin requerido por los usuarios finales

El aire de planta de uso general debe ser identificado y cuantificado

Aplicaciones que requieren una presin o calidad de aire distinta al aire de planta de uso general debe ser identificada y cuantificada, el mtodo de suplir este requerimiento especfico se debe evaluar.

Lado de la Demanda:2.Cul es el requerimiento verdadero de aire comprimido?

Identifique y tabule flujo y presin requerido por los usuarios

Identifique alternativas para algn uso inapropiado del aire

Identifique la demanda constante e intermitente

Use las especificaciones del fabricante del equipo: flujo y presin: promedio y mximo. Adems verificar la calidad del aire: libre de aceite, punto de roco y grado de filtracin.

Desarrollar un diagrama de perfil de demanda de aire

Estimar el flujo total de aire para el mejor y peor escenario, incluidas las fugas

Demanda futura

Lado de la Demanda:3. Porqu el uso de aire comprimido?

No todos los usos del aire comprimido son apropiados o eficientes, pero el aire comprimido sigue siendo an la mejor alternativa.

4.Cmo desarrollar un diagrama de perfil de demanda de aireEl diagrama le proporcionar una visin general del sistema como tambin los requerimientos actuales de los usuarios finales.

Presin

Flujo: continua, promedio y pico

Tiempo del ciclo: On / Off

Lado de la Demanda: Tabulacin

TAG EQUIPODISPOSITIVOCONSUMO (CFM)PRESINCONSUMIDORPERMANENTEESPORADICOPSIGENERADOR G-1596100-120GENERADOR G-2596100-120GENERADOR G-3596100-120GENERADOR G-4596100-120BOMBA P-630A596100-120BOMBA P-630B596100-120V603/604 (TEAS)LV1.5100-120LV1.5100-120TK- 635ALV1.560-120TK- 635BLV1.560-120TK- 636CLV1.560-120TK-630LV1.560-120TK-631LV1.560-120TK-632LV1.560-120SKIMMER VPump2060-120SKIMMER VPump2060-120SKIMMER VPump2060-120FILTRO F-63710V-636A/B (DESNATADORES)PV1.560-120V-636A/B (DESNATADORES)LV1.560-120V-636A/B (DESNATADORES)SDV0.5360-120V-636A/B (DESNATADORES)PV1.560-120V-636A/B (DESNATADORES)LV1.560-120V-636A/B (DESNATADORES)SDV0.5360-120P-639APump2060-150P-639BPump2060-150V-601 (SEPARADOR)PV1.560-150V-601 (SEPARADOR)LV1.560-150V-601 (SEPARADOR)LV1.5V-601 (SEPARADOR)SDV0.5360-150V-602 (SEPARADOR)PV1.560-150V-602 (SEPARADOR)LV1.560-150V-602 (SEPARADOR)LV1.5V-602 (SEPARADOR)SDV0.5360-150V-606 (SEPARADOR)PV1.560-150V-606 (SEPARADOR)LV1.560-150V-606 (SEPARADOR)LV1.5V-606 (SEPARADOR)SDV0.5360-150V-201PV1.560-150V-201PV1.560-150V-201PV1.5V-201PV1.560-150V-201LV1.560-150V-605PV1.560-150V-605LV1.560-150TOTAL AIRETOTAL CFM184.5591

Lado de la Demanda: Perfil demanda de aire

Lado de la Demanda: Ejemplo 1

Sistema de Aire Comprimido: Flujo Permanente + Flujo Espordico

Flujo total: 184.5 scfm + 96 scfm = 280.5 scfm @ 120 psig Temperatura Ambiente: 80 oFHumedad Relativa: 80 100%Presin Atmosfrica: 847 m.s.n.m = 13.27 psia

Esta configuracin se caracteriza por la ineficiencia energtica, debido a que el sistema de aire comprimido tiene en cuenta un flujo espordico de 96 scfm, aproximadamente 25 HP de potencia.


Sistema de Aire Comprimido: Flujo Permanente + Flujo Espordico

Anlisis con secador refrigerado (Calidad 4):

El sistema de aire comprimido, tipo tornillos lubricados, operar concompresores de 75 HP de potencia a una presin de 125 psig


Sistema de Aire Comprimido: Flujo PermanenteFlujo total: 184.5 scfm @ 120 psigTemperatura Ambiente: 80 oFHumedad Relativa: 80 100%Presin Atmosfrica: 847 m.s.n.m = 13.27 psiaAnlisis con secador refrigerado: (Calidad 4)El sistema de aire comprimido, tipo tornillos lubricados, operar con compresores de 50 HP de potencia a una presin de 125 psig

Lado de la Demanda: Ejemplo 2Sistema de Aire Comprimido: Flujo Espordico

Cuando se tiene el uso de arrancadores neumticos, el criterio de diseo se caracteriza por:Aire comprimido almacenado a una alta presinAlta capacidad de almacenamiento

ManufacturerEngineCu InLitreCylinderStarter - 1Starter - 2FlangePinionWAUKESHA L5790G578894.856ST950BPST950BPSAE03R31


El sistema de aire comprimido, tipo pistn lubricado, operar con compresores de 10 HP de potencia a una presin de 150 - 175 psig.

Asumiendo un tiempo (crank time) de 3 segundos para el arranque del motor Waukesha, el aire almacenado en el tanque permitir hacer 2 arranques de manera continua hasta llegar a una presin final de 150 psig.

Se instalarn dos tanques de almacenamiento de 500 galones, uno en los (4) generadores y otro en las bombas P 630 A/B. El tiempo de reposicin de la presin desde 150 a 175 psig para cada tanque es de 3.85 minutos

Lado del Suministro: Compresores

Lado del Suministro: Compresores1.Cuntos compresores son necesarios?Para una ptima eficiencia energtica, solo debe operar el mnimo nmero de compresores (tamao adecuado) para garantizar la capacidad y presin de cada usuario.

Lado del Suministro: Compresores1.Cuntos compresores son necesarios?Los compresores deben suplir al menos la demanda promedio. Si la capacidad del tanque acumulador no puede manejar la diferencia entre la demanda mxima y promedio durante el tiempo de este evento (demanda intermitente), el tamao del compresor tendr que ser incrementado.

Sistema de Distribucin de Aire

Sistema de Distribucin de AirePrdidas de presin debido a un sistema de distribucin inadecuado se traducir en incrementos de los costos de energa y variaciones en la presin del sistema, con posibles efectos adversos en el proceso de produccin.

Regla de dedo:

Al incrementar la presin de un sistema de aire comprimido en 2 psi, el costo de operacin por mayor consumo de energa se incrementar en 1%.

Al reducir la presin de un sistema de aire comprimido en 2 psi, el costo de operacin por menor consumo de energa se reducir en 1%.

Cmo seleccionar el tamao de la tuberaEl cabezal, sala de compresores, donde descarga el compresor debe ser dimensionado de tal manera que la velocidad del aire comprimido no exceda 20 ft/s, lo que permitir la expansin futura. Velocidades ms altas antes del secador tambin puede causar condensacin (se recomienda instalar una pierna de drenaje para evitar que el condensado entre al secador).

La tubera principal, salida sala de compresores, debe ser dimensionada de tal manera que la velocidad del aire comprimido no exceda 30 ft/s con el objetivo de minimizar la cada de presin.

Cmo seleccionar el tamao de la tuberaLa siguiente ecuacin se usa para determinar el dimetro de la tubera:

A = rea de la tubera, pulg2Q = flujo en CFMPa = presin atmosfrica, psiaPd = presin de descarga del compresor o presin de lnea, psigV = velocidad de diseo, 20 ft/s 30 ft/s

Configuracin del sistema de distribucinPlanta relativamente cuadrada: se recomienda la configuracin de anillo cerrado, permite tener una presin mas estable, mayor capacidad de almacenamiento y cada punto de uso es alimentado en 2 direcciones.

Configuracin del sistema de distribucinPlanta larga: la configuracin consta de una tubera principal recta con ramales a cada lado donde estn ubicados los puntos de uso.

Configuracin del sistema de distribucinPlanta con manufacturas separadas: una estacin central provee el suministro a diferentes manufacturas, de gran uso en planta de ensamble de automviles.

Tanque de Almacenamiento de AireSe recomienda que el tanque de almacenamiento de aire comprimido sea seco, instalar despus del secador, con el objetivo de tener disponible el aire comprimido al momento de presentarse una falla.

Oil & Gas

El criterio utilizado para dimensionar el tamao del tanque de almacenamiento es el de confiabilidad, tiempo suficiente para poner a salvo la estacin ante una falla (shut down) en la generacin de aire comprimido.

Tanque de Almacenamiento de Aire

Tanque de Almacenamiento de Aire: Ejemplo 3

Flujo total: 214 acfm Presin Atmosfrica: 13.27 psiaPresin mnima de operacin de usuario: 100 psig Tiempo de respaldo del tanque ante shut down: 10 minutos

Gracias

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