c7 - transporte de gasesmaterias.fi.uba.ar/7202/materialalumnos/antiguo/2010-1c/apuntett… ·...

Industrias I 72.02

Transporte de Gases

72.02 – Industrias I Aire Comprimido

2

7 AIRE COMPRIMIDO...........................................................................................................3

7.1 Consideraciones Generales...................................................................................................3 7.1.1 PROPIEDADES DEL AIRE ................................................................................................3

7.2 Comparación de fuentes de energía en la industria ...............................................................4 7.3 TRANSPORTE NEUMATICO ...........................................................................................6

7.3.1 Introducción .................................................................................................................6 7.3.2 Transporte de Materiales Sueltos..................................................................................6

7.4 Transporte De Materiales Pulverulentos...............................................................................8 7.4.1 Definiciones Generales.................................................................................................9 7.4.2 Elementos y Procesos del Transporte de Polvos a Presión ..........................................10 7.4.3 Fluidización del Material............................................................................................10 7.4.4 Bombas o Transportadores .........................................................................................16 7.4.5 Bombas a Presión.......................................................................................................18 7.4.6 Filtros Separadores del Aire y Polvo...........................................................................21

7.5 Diseño De Una Red De Aire Comprimido: Elementos .......................................................21 7.5.1 Instalación para la Producción de Aire Comprimido...................................................21 7.5.2 Elementos para la Acumulación tTransporte y Distribución de aire comprimido.........22 7.5.3 Instalación para Consumo de Aire ..............................................................................22 7.5.4 Recuperación de Calor ...............................................................................................22

7.6 Distribución De Aire Comprimido .....................................................................................22 7.6.1 Disposición Usual De Instalaciones Según Presiones De Consumo ............................23

7.7 Consumo De Aire ..............................................................................................................23 7.7.1 Acondicionamiento Del Aire ......................................................................................24 7.7.2 Función De Las Unidades De Mantenimiento.............................................................24 7.7.3 Distintas Alternativas Para El Acondicionamiento Del Aire .......................................25

7.8 Compresores ......................................................................................................................25 7.8.1 Definición ..................................................................................................................25 7.8.2 Clasificación De Los Compresores, Funcionamiento, Campos De Aplicación. ...........26 7.8.3 Compresores De Desplazamiento Positivo..................................................................26 7.8.4 Compresores Dinámicos.............................................................................................32 7.8.5 Aplicaciones Especiales .............................................................................................32 7.8.6 Rangos De Usos.........................................................................................................33 7.8.7 Parámetros En El Calculo De Potencia Y Selección De Un Compresor ......................34 7.8.8 Características Principales De Los Distintos Compresores..........................................38 7.8.9 Propiedades Condicionantes De Los Gases A Comprimir...........................................39

7.9 Aire Comprimido/Teoría sobre Instalaciones .....................................................................39 7.9.1 Generación Y Acondicionamiento Da Aire Comprimido............................................39


3

7 AIRE COMPRIMIDO

7.1 CONSIDERACIONES GENERALES 7.1.1 PROPIEDADES DEL AIRE

• Densidad = 1,2928 kg/m³ • Exponente isentrópico = 1,40 • Velocidad del sonido = 331 m/s • Constante individual del gas Ri = 286,9 J/(kg.K)

Estos datos están referidos a una temperatura normal Tn = 0° C y a una presión normal pn = 101 325 Pa (1,01325 bar). 7.1.1.1 Punto de Rocío

El aire puede almacenar cierta cantidad de agua en estado gaseoso. La cantidad depende de la temperatura y de la presión del ambiente. Si se enfría el aire a una presión ambiente fija, a partir de una cierta temperatura se rebasa el grado de saturación y el agua comienza a condensarse. A esta temperatura se le da el nombre de punto de rocío.


4

7.1.1.2 Compresión de Gases

Si se reduce el volumen de un recipiente cerrado, la presión en el recipiente aumenta según la siguiente fórmula: pabs: Presión absoluta [bar] V: Volumen [m³] Tabs: Temperatura [K]

P1ABS . V1/T1=P2ABS . V2/T2 A temperatura constante rige:

P1ABS . V1=P2ABS . V2 (ley de Boyle-Mariotte) Si se comprime aire, éste se calienta. Si se reduce la presión de aire comprimido, éste se enfría. 7.2 COMPARACIÓN DE FUENTES DE ENERGÍA EN LA INDUSTRIA En la industria se utilizan principalmente tres fuentes de energía, las cuales tienen ciertas ventajas y desventajas. Las mismas se presentan a continuación:


5

Neumática Hidráulica ElectricidadDisponibilidad del medio ++ + +++Capacidad de almacenamiento +++ + oTransporte de energía ++ + +++Fuerza lineal ++ +++ +Fuerza rotativa ++ ++ +++Sobrecarga +++ +++ ooMovimiento lineal +++ +++ oooMovimiento rotativo ++ ++ +++Movimiento oscilante ++ ++ ooooConsumo de energía en parada +++ + +Regulación de la fuerza +++ +++ +Regulación de la velocidad ++ +++ +Costes de la energía ++ + +++Influencia de la temperatura ++ ooooo +++Fugas, riesgos de accidente + oooooo ooooooo

Nota: + Aspectos Positivos O Aspectos Negativos • Disponibilidad del Medio: Neumática: El aire esta disponible en cualquier lugar. Hidráulica: La adquisición y la eliminación del aceite origina costos. Electricidad: Por regla general esta disponible en todos los lugares. • Capacidad de almacenamiento Neumática: El Aire comprimido es un excelente almacenador de Energía Hidráulica: Limitada capacidad de almacenamiento, se necesita gas como elemento compensador. Electricidad: Posible solo con gran dificultad y en pequeñas cantidades. • Regulación de la Fuerza Neumática: Sencilla mediante válvula reguladora de presión. Hidráulica: Sencilla mediante válvula reguladora de presión. Electricidad: Gran complejidad. • Fugas, Riesgos de accidente Neumática: Excepto la perdida de energía, ninguna repercusión negativa. El aire comprimido se disuelve en la atmósfera. Solo hay que tener cuidado con las mangueras y tubos sueltos. Hidráulica: Gran riesgo de fugas debido a altas presiones.


6

Electricidad: Peligro de muerte en caso de contacto con alta tensión. 7.3 TRANSPORTE NEUMATICO 7.3.1 Introducción

En los sistemas de transporte neumático el material a transportar se introduce en una corriente de aire mediante un dispositivo de alimentación. Así las partículas del material son arrastradas a lo largo del conducto por la corriente de aire (gas). Al transporte neumático conviene distinguirlos en dos categorías: • Transporte en corriente gaseosa de materiales sueltos o en tubos especiales. • Transporte de gas: gasoductos 7.3.2 Transporte de Materiales Sueltos

Ventajas: • Eliminación casi total de mecanismos. • Reducción de espacio. • Fácil aspiración de materiales. Desventajas: • Consumo elevado de energía. • Económicamente favorable para recorridos breves • Limitación de granulometría, humedad (máximo 20 %) y tipo (riesgo de explosión) de material

a transportar. • Dificultad de separar el aire del material si este es pulverulento.


7

7.3.2.1 Instalaciones

Tipo Ventajas Desventajas

Por Aspiración • Simplicidad • Posibilidad de aspirar de

montones • El material no pasa por el

aspirador

• Necesidad de un separador para eliminar el aire del material

• Limitación de potencia debido a la imposibilidad de conseguir depresiones mayores a 1 atm

• Para las mayores depresiones, enrarecimiento del aire con poca posibilidad de suspensión de los materiales transportados

• Mayor potencia absorbida. Por Presión • Simplicidad de descarga.

• Aumento de la presión a voluntad.

• Velocidad creciente de entrada a salida haciendo mas difíciles las obturaciones.

• Posibilidad de reducir la dilusión

• Ingreso complicado del material al circuito.

• Posibilidad de condensación de agua.

Mixtas: El material pasa a traves del ventilador

• La de los dos sistemas precedentes (absorber y descargar en mas de un punto)

• El material pasa a través del ventilador.

• Solo se pueden utilizar ventiladores por lo que las presiones y depresiones son modestas.

Mixtas: El material no pasa a través de la bomba

• Permite la utilización de bombas potentes

• Complica la instalación


8

Instalación porAspiración

Instalación porpresión

Instalación Mixta -Material a través delventilador

InstalaciónMixta - Elmaterial no pasaa través de labomba

7.4 TRANSPORTE DE MATERIALES PULVERULENTOS Para el transporte de sólidos pulverulentos se ha impuesto la utilización de equipos neumáticos, debido a:

• La simplicidad de su construcción • Buena adaptabilidad • Total ausencia de partes móviles en todo el trayecto del transporte • Escasa emisión de polvos • Bajo costo de mantenimiento • Resistencia a la intemperie • Adaptabilidad a la marcha automatizada

Una ventaja especial es que se puede conjugar la operación de transporte del material con la interacción de éste con el gas que lo transporta ya que se pueden realizar, en dicho transporte, distintos procesos Físico - Químicos como ser Procesos Catalíticos, Mezclado, Secado, Clasificación, etc.


9

Algunos de los inconvenientes más importantes que presenta el transporte neumático son:

• Su gran consumo de energía • Con ciertos materiales (muy abrasivos), se produce el desgaste por rozamiento de los

conductos transportadores. • Si los materiales a transportar son combustibles y se hallan finamente pulverizados puede

existir algún peligro de explosiones (en determinadas circunstancias). • Existe el riesgo de que ciertos materiales obturen los conductos transportadores

(principalmente en curvas del recorrido). Nota: Refiriéndonos a la industria Cementera diremos que el manejo Neumático del material pulverulento tuvo mucho que ver con el mezclado de los diferentes componentes del material crudo al pasar del proceso por vía húmeda a la vía seca. En este caso el aire reemplaza al agua como elemento de homogeneización de los materiales. Según su modo de actuar, habrá que distinguir entre:

• Los Sistemas de Impulsión. • Los Sistemas de Aspiración: Utilizado cuando el transporte se efectúa a partir de varios

puntos de alimentación y un solo punto de descarga, o cuando el punto de distribución debe ser móvil.

• Los Sistemas Combinados: El material entrado por el sistema de aspiración se combina con las ventajas que presenta el sistema de impulsión.

Los cuales veremos en detalle con posterioridad a las siguientes definiciones generales 7.4.1 Definiciones Generales

• Transporte Neumático: Es el término general dado al movimiento de sólidos formado por

partículas y mezclado con aire, por influencia de la fuerza de gravedad o por la fuerza producida por la diferencia de presión entre la presión del aire que rodea los mencionados sólidos y la presión del aire en el lugar de descarga. Nota: Durante muchos años se realizó usando volúmenes de aire a presiones relativamente bajas, siendo pequeña la relación de sólidos en aire. A partir del desarrollo tecnológico en la manipulación de polvos, se incrementó notablemente la relación antes mencionada, lográndose, de este modo, un aumento sustancial de sólidos a transportar con relación al aire consumido para este fin. Este logro es debido al trabajo a presiones más elevadas (hasta 4Kg/cm2).

• Polvo: Partículas Granuladas o pulverizadas, susceptibles al transporte por aire. Se supondrá

que se usa polvo ideal, es decir, un polvo cuyas partículas presentan iguales características (forma, tamaño, peso, etc.)

• Fluidización: Se le llama a la Introducción de aire, finamente difundido, por debajo de los

polvos a través de un medio poroso. Con esto se consigue que la masa se asemeje a un fluido y


10

pueda manipularse como tal. Este tema será ampliado debido a su importancia tanto para el Transporte como para la Mezcla y también para el Almacenamiento de materiales pulverizados.

7.4.2 Elementos y Procesos del Transporte de Polvos a Presión

Los elementos y procesos mas importantes en el transporte de polvos a presión son: 1. Fluidización del Material en su lugar de almacenamiento o en el punto de envío, para mezcla

y/o corrección. 2. Bombas o Transportadores, de los cuales hay diversos tipos y marcas. 3. Filtros Separadores del aire y polvo en el lugar de descarga. 4. Compresores de generación del aire para el proceso de preparación y transporte de polvos 7.4.3 Fluidización del Material

Se supondrá que se utiliza polvo ideal, es decir, un polvo cuyas partículas tienen todas iguales características (tamaño, forma y peso). Si una capa de éste polvo descansa sobre un medio poroso en el fondo de un recipiente y se le hace pasar aire verticalmente a través del polvo, no se producirá un movimiento relativo de las partículas hasta no sobrepasar una cierta velocidad crítica. Por debajo de tal velocidad, el caudal y la diferencia de presión serán directamente proporcionales entre sí. Esta relación está indicada en la Figura 1. A la velocidad critica la presión ejercida a través de la capa está equilibrada por el peso de las partículas. A una velocidad mayor, la resistencia de rozamiento de las partículas es mayor que el peso de éstas y, por consiguiente se reordenan de manera de ofrecer menor resistencia al paso del aire, y la capa comienza a hincharse. Conforme aumenta la velocidad del aire, aumenta el volumen de la capa y las partículas terminan por flotar libremente en el aire. Se dice entonces que la capa está fluidizada. La diferencia de presión siendo igual al peso por unidad de superficie de la capa y el paso de aire a través de ésta sigue siendo prácticamente estable. Esta situación se denomina Etapa Tranquila. Si continúa incrementándose la velocidad del aire, se llega a una etapa en la que a través de la capa fluidizada relativamente densa, pasan burbujas de aire que contienen una pequeña proporción de polvo en suspensión, irrumpiendo a través de la superficie de un modo muy similar al de las burbujas que se abren paso a través de la superficie de un líquido en ebullición. Si la velocidad es aún mayor que la citada, las partículas de polvo se dispersan mas ampliamente y son arrastradas con el aire. Estos conceptos se sintetizan en la Figura 2.


11

Figura 1 Relación entre la Velocidad del Aire y la Diferencia de Presión hasta que se llega a la Velocidad Critica del Aire.

Figura 2 Relación entre la Altura de la capa de polvo y la Velocidad del Aire.

Consideraciones Prácticas: Las explicaciones precedentes están fundadas para el caso de polvos ideales. En la práctica industrial no existen tales y es raro que un polvo se aproxime mucho al ideal. En cualquier caso siempre deben realizarse experimentos a pequeña escala para verificar si es o no posible fluidizar el polvo, lo cual se corrobora de la siguiente manera:

• Corre Fácilmente entre los dedos al tomarlo • Tiene aristas vivas al tacto, es limpio, seco y no adhesivo. • No es escamoso y no puede amasarse en nódulos.

El cemento limpio y seco y la arena fina son ejemplos de polvos fluidizables. Si un polvo es naturalmente pegajoso, es improbable que sea apto para transportarlo fluidizado. La principal ventaja de la fluidización es que los polvos así tratados se comportan como líquidos y pueden manipularse como tales.


12

Aplicaciones Prácticas: Una primera utilización industrial que podemos citar, es el caso del mezclado de diferentes componentes pulverulentos para producir una masa homogénea. Nos referimos a la denominada “harina cruda” en el proceso del cemento, producto obtenido de la molienda en molinos de variados tipos, de una mezcla de caliza, arcilla y óxido de hierro. Este material finamente molido es depositado en silos de gran capacidad volumétrica (en términos medios: diámetro 10m y altura 25m). La base de estos recipientes de hormigón, tienen adosados medios porosos por los cuales penetra el aire de fluidización. Un proceso continuo de mezcla es el sistema IBAU de cámara central, que utiliza los silos simultáneamente, como depósito para alimentación de crudo. Figura 3.

Figura 3 Silo Cónico en la base con lecho fluidizador múltiple.

Con un adecuado caudal de aire a presiones promedio de 1,5 Kg/cm2, se produce el proceso descripto anteriormente, es decir el material se comporta como un líquido y circula dentro del silo de modo parecido al indicado por las flechas en la Figura 4.

Figura 4 Circulación del Polvo Fluidizado en un Silo.

Los errores de composición pueden corregirse añadiendo pequeñas cantidades de los constituyentes antes de la fluidización final, para asegurar el que la mezcla contendrá las proporciones exigidas, dispersas uniformemente dentro de unos, límites estrechos. Mediante la división de la base del silo en secciones aireadas por separado, es posible regular la distribución del aire para efectuar la mezcla con mayor eficacia y rapidez.


13

En la Figura 5 puede verse una forma constructiva para alojar el medio poroso. Esencialmente debe ser estanca a la salida de polvo y tener un acople para la entrada de aire.

Figura 5 Forma constructiva de un medio poroso.

El material permeable puede ser: • Textiles (tela filtrante, filtro o loneta) • Caucho Alveolar • Baldosines de Cerámica Porosa • Metal Sinterizado • Celulosa Comprimida • Plástico Sinterizado • Filtro Metálico La elección del medio poroso depende en cierta medida de las características del polvo que interesa mezclar. La distribución pareja a una velocidad uniforme del aire, depende de la uniformidad de tamaño de los poros del material, especialmente en el plano superior. Una permeabilidad desigual produce variaciones locales de caudal. Estas hacen aparecer “volcanes” en el polvo y la canalización consiguiente conduce a pérdidas de aire y a un consumo superior al necesario. No hay una norma universalmente aceptada para describir la permeabilidad de los medios porosos (Ver Figura 6).


14

Figura 6 Curvas de permeabilidad típicas. Los fabricantes expresan las medidas de permeabilidad en diversas unidades, aunque por lo general son medidas en función de una corriente de aire. Dichas unidades pueden ser como las siguientes: Metros Cúbicos de Aire por unidad de Superficie, Tiempo y Presión: m3 / (m2.min.(Kg/cm2)) Litros por Centímetro Cuadrados, Hora y Presión: L / (cm2.hora.(Kg/cm2)).


15

Para completar la idea general de una instalación integral de mezclado véase la Figura 7. (Respecto a los elementos denominados en ella “Bomba de Polvo” y “Colector de Polvos”, serán temas tratados posteriormente).

Figura 7 Instalación para Fluidización y Mezcla de Polvos.

En relación con el aire utilizado en la fluidización, la premisa básica es que contenga la menor cantidad de aceite y humedad posible, ya que estos dos elementos son sumamente perjudiciales, ya que por un lado disminuyen la permeabilidad del medio poroso y por el otro generan grumos entre partículas de polvo. Por ello, el tipo de compresor más apropiado es el del tipo “Tornillo Seco”.


16

7.4.4 Bombas o Transportadores

7.4.4.1 Planos Inclinados Fluidizadores

La Fluidización puede emplearse para acarrear polvos a lo largo de considerables distancias por planos transportadores descendentes cuya inclinación es menor que el ángulo de rozamiento interno del polvo. Esto se logra insuflando aire continuamente desde la cara inferior a través de un medio poroso dispuesto a todo lo largo del plano transportador. Los nombres comerciales de estos acarreadores son: “Fluido”, “Air Slide” o “Aerodeslizador” y como se verá son dispositivos sencillos y de costos razonablemente bajos. En su estado normal, un polvo se desliza por un plano inclinado sólo cuando la inclinación de este es mayor que el ángulo de rozamiento del polvo. (Figura 9)

Figura 9 Un polvo cuyo ángulo de rozamiento sea 45°, descenderá por una pendiente de 45°

Pero un polvo fluidizado se desliza por una pendiente cuyo ángulo sea mucho menor que dicho ángulo de rozamiento. Un plano inclinado fluidizador, en su forma más sencilla, consiste básicamente en un canal rectangular dividido en su plano medio por el elemento poroso. La parte inferior está abulonada, a todo lo largo, a la superficie superior, para poder desarmar y así cambiar o limpiar el medio poroso (Figura 10)

Figura 10 Sistemas por Gravedad, con ayuda de aire

Refiriéndonos a la Figura 10, la entrada de polvos se hace a través de válvulas especiales que hermetizan el pasaje de aire hacia los recipientes o tolvas alimentadoras. Diremos de paso que este tipo de “cierre alimentador” se usa en todos los tipos de transportadores por aire o bombas a presión. Las entradas de aire se reparten cada 10 o 15 metros y éste aire es generado por ventiladores centrífugos (Ver capitulo de Transporte de Gases).


17

7.4.4.2 Medios Porosos

El medio poroso está citado en páginas anteriores. En la industria del cemento se usan telas de espesor aproximado a 1cm apoyadas en tejidos de alambre de tipo rectangular. Para terminar con la descripción de la Figura 2.2, la salida del aire se hace a través de filtros destinados a separar los polvos más finos que no caen por gravedad en la descarga.

Sección de Transporte: La cantidad de aire libre que se necesita para el funcionamiento eficiente de un fluido depende de:

• Las características físicas del polvo. • La inclinación descendente del transportador. (Figura 11). • El espesor de la capa de polvo transportada.

Como dato ilustrativo para transportar cemento (densidad = 1 Kg /dm3), con una capa de 5 cm de espesor sobre la tela, se requiere una pendiente de 3m / m.min. La Resistencia total al paso del aire a través del transportador es la suma de las resistencias compuestas por el medio poroso y por la capa de polvo sobre el medio poroso. Normalmente, un ventilador centrifugo que pueda trabajar contra una presión manométrica de 500mm de columna de agua podrá vencer sin problemas esa resistencia conjunta.

Figura 11 Relación entre Carga Transportada, Inclinación del Plano Transportador y la

Velocidad del Aire


18

7.4.5 Bombas a Presión

Cuando es necesario transportar material pulverulento a largas distancias y a diferentes niveles, con diferencias de altura apreciables, se apela al transporte a presión. En la Figura 12 se muestra uno de los sistemas más simples, se trata de un recipiente cilíndrico de diámetros medios del orden de los 2 metros y una altura de 3 metros. Es alimentado por la parte superior a través de una campana de cierre y en general por gravedad desde el proceso anterior de molienda.

Figura 12 Típica Bomba de Polvo Fluidizado

Mientras el recipiente se está llenando la campana permanece abierta. Mediante un dispositivo de control de llenado, que puede ser mecánico en los tipos más antiguos y hasta rayos gamma en los más modernos, al llegar el material a un nivel predeterminado, actúa un mecanismo hidráulico que cierra la campana y de inmediato abre la válvula de paso de aire de transporte. Cuando el recipiente se ha vaciado, por un sistema de control de caída de presión, se ordena el proceso inverso, es decir, el cierre del aire y la apertura de la campana. Durante el proceso de llenado hay una permanente entrada de aire a menor presión que es el necesario para mantener el polvo fluidizado. A su vez, en el lugar de descarga del material, que es generalmente un silo, debe realizarse el proceso de filtrado del gran volumen del aire que acompaña al polvo transportado de tal manera que salga limpio a la atmósfera. Esto se realiza utilizando diversos tipos de filtros, algunos de los cuales veremos más adelante. Describiremos entonces las tres etapas del transporte esquematizadas en la siguiente Figura:

Polvo ø ö Aire

Limpio Zona de Mezcla Transporte Zona de Separación Aire ö ø Polvo

• Zona de Mezcla: En ella todas las partículas de polvo han de acelerarse en el menor tiempo posible hasta alcanzar la velocidad crítica. La velocidad de aire necesaria para arrastrar la


19

partícula más pesada, resulta ser la velocidad mínima para producir el acarreo, la cual es mayor en un tubo horizontal que en uno ascendente. Una vez Alcanzada esa velocidad mínima, el paso ulterior a lo largo de un tubo sólo aumenta la velocidad de las partículas debido a la expansión de la corriente de aire. Cada tipo de bomba tiene incorporado un determinado dispositivo de mezclado, que en general responde a lo indicado en la Figura siguiente.

• Zona de Transporte: Se compone de la Bomba y la Tubería. Hay dos tipos básicos de Bombas: a) De grandes volúmenes de aire a presiones relativamente bajas: (hasta 1.05 Kg/cm2 sobre la atmosférica) y con proporciones bajas de la relación polvo / aire. En las Figuras 13, 14, 15 se pueden ver ejemplos de ellas.

Figura 13 Introducción de Polvo en el aire con ayuda de una elevada altura de polvo fluidizado

Figura 14 Carga de un Silo con el elevador Neumático AEROPOL.

Figura 15 Introducción de Polvo en la Corriente de Aire usando un obturador rotatorio como regulador de polvo y como cierre.


20

b) Las que trabajan a mayor presión de aire (hasta 2.5 Kg/cm2 sobre la atmosférica) y con una elevada proporción polvo / aire. Un ejemplo de este tipo es la bomba Fuller – Kinyon (Figura 15) El polvo se descarga desde una Tolva a un tornillo sin fin que gira a alta velocidad dentro de un cilindro, haciendo pasar a través de una válvula mariposa a una cámara en la que se inyecta aire a presión (2.5 atm). La mezcla intima de polvo y aire pasa de allí a la tubería de transporte. La presión de trabajo depende de la distancia a recorrer y del volumen acarreado. El husillo actúa como alimentador y como cierre estanco al escape de aire hacia la tolva de alimentación. Este tipo de bomba es apto para servicio pesado y puede descargar muchas toneladas de material a gran distancia.

Figura 15 Esquema de una Bomba Fuller - Kinyon

Existen varios fabricantes de bombas y cada uno de ellos dispone de distintos modelos, que en general responden a los dos tipos básicos descriptos. Normalmente las estaciones de bombeo forman parte de procesos continuos de producción, razón por la cual están comandadas por sistemas automáticos de control. Respecto de la segunda parte del transporte, que lo constituyen las tuberías, en sus tramos rectos verticales u horizontales se utilizan caños galvanizados comunes, mientras que en las curvas, debido a la profunda abrasión, se utilizan caños de hierro fundido o revestidos interiormente de cerámicas. El aire comprimido para las bombas de baja presión es producido por Compresores tipo Roots. Y para los transportadores que trabajan a Presiones mayores a 1 atm se prefieren los Compresores de Tornillo o los de Pistón Libre. Cabe aclarar que el Aceite y el Agua que acompañan al aire comprimido no revisten en este caso la importancia que sí cobran en la fluidización.

• Zona de Separación: La vemos a continuación.


21

7.4.6 Filtros Separadores del Aire y Polvo

Aquí trataremos la zona de separación. Normalmente el bombeo es descargado en silos que deben tener aberturas en la parte superior para que su presión interna sea igual o menor a la presión atmosférica, ya que de otra manera se perturbarían las posibilidades de ingreso del material pulverulento (Figura 16). Pero a su vez, esta conexión con la atmósfera, no es deseable por razones económicas y de polución ambiental. Esto hace necesario introducir equipos que retengan la mayor cantidad de polvo posible. Si se trata de polvos altamente nocivos para la salud, la meta es conseguir una retención total. Para el caso del cemento, cuyas fábricas en general están instaladas en zonas rurales, se acepta una pequeña pérdida porcentual. Las instalaciones típicas en esta industria consisten en instalar en la parte superior de los silos “un exhaustor” centrífugo que aspira el aire de los silos a través de separadores estáticos (ciclones) y filtros de mangas. Con ello se consigue una eficiente separación aire / polvo y paralelamente crear una depresión en el silo. Figura 16 A efectos de limpieza delas mangas una cámara de deposición es puesta fuera de servicio; durante el tiempo de inactividad el resto de las cámaras están en explotación normal. 7.5 DISEÑO DE UNA RED DE AIRE COMPRIMIDO: ELEMENTOS Una instalación general se compone de tres partes, las cuales están ligadas pero pueden tener independientemente una influencia importante sobre la rentabilidad de toda la instalación. 7.5.1 Instalación para la Producción de Aire Comprimido

• Compresor con su accionamiento. • Elementos para la limpieza de aire. • Dispositivos de regulación de presión.


22

7.5.2 Elementos para la Acumulación tTransporte y Distribución de aire comprimido

• Tanques pulmón: Su función es esencialmente compensar las variaciones que puedan

producirse en los caudales de aire comprimido que se necesiten (demanda de aire comprimido), como así también producir la decantación del aceite de lubricación, causado esto último por la disminución de velocidad que experimenta el aire al entrar al pulmón.

• Red de distribución con accesorios 7.5.3 Instalación para Consumo de Aire

• Maquinas accionadas por aire comprimido. • Accesorios de la instalación. • Transporte neumático • Dispositivos de refrigeración.

7.5.4 Recuperación de Calor

Evita las perdidas innecesarias de energía hacia el ambiente. La variación de energía interna en gases en proceso de compresión produce aumento de temperatura. 7.6 DISTRIBUCIÓN DE AIRE COMPRIMIDO La distribución del aire comprimido desde el generador hasta los consumidores es algo que nunca debería descuidarse. Aquí pueden conseguirse ahorros financieros limitando o evitando pérdidas por fugas y seleccionando los aparatos y materiales idóneos. Los costes adicionales correspondientes a un sistema nuevo se amortizarán por el menor mantenimiento requerido, por la mejor estanqueidad así como por una mayor duración. Un recipiente de aire comprimido (o cámara de aire) debería montarse inmediatamente a continuación del compresor, a fin de compensar los golpes de presión procedentes del compresor. Además sirve de acumulador para toda la red, alivia al compresor y contribuye a enfriar el aire comprimido, pudiendo evacuar ya aquí el agua condensada. Los acumuladores de aire comprimido sirven para compensar fluctuaciones del aire comprimido dentro de una red, de manera que para todos los centros de consumo esté garantizada una presión de servicio lo más homogénea posible.

• El primer objetivo es evitar las perdidas, en una red en buen estado deber ser menores al 10% del aire aspirado.

• Se deben dimensionar correctamente y al colocar las tuberías asegurarse de darles una inclinación de 3% a 5% en la dirección de desplazamiento del aire para evitar la acumulación de condensado.

• Las líneas externas deben colocarse bajo tierra para evitar el riesgo de congelación. • Las internas se colocan suspendidas de las paredes o de los techos. • La conFiguración debe ser en forma de anillo • Si el aire no entra seco se le debe dar pendiente. • Las purgas del condensado de aceite van delante de cada tramo ascendente.


23

7.6.1 Disposición Usual De Instalaciones Según Presiones De Consumo

a) P1 > P2, V1 > V2 Red de Consumo 1 P1 V1(Caudal) Válvula Reductora

Red de Consumo 2 P2 V2 b) P1 > P2, V2 > V1

Red de Consumo 2 P2 V2

Red de Consumo 1 P1 V1 c) Red de consumo 1 (Consumo Reducido) P1

V1 Red de consumo 2 (Consumo Intenso) P2 V2 7.7 CONSUMO DE AIRE En primer lugar se necesita preparar el aire para que cumpla con las siguientes condiciones:

• Pureza: utilización de filtros. • Presión: reguladores. • Lubricación: Lubricadores • Secado: Secadores.

Todos los dispositivos para preparar el aire deben colocarse lo mas cerca del punto de consumo como sean posible.

VR

C

C

C

C C

C

C


24

7.7.1 Acondicionamiento Del Aire

Las impurezas del aire comprimido (como calamina, óxido y polvo) así como la humedad contenida en el aire, que se precipita en forma de agua condensada, pueden causar daños muy graves en sistemas neumáticos. Las partículas de suciedad intensifican el desgaste de las superficies de deslizamiento y de los elementos estanqueizantes, perjudicando el funcionamiento y reduciendo la duración de los elementos neumáticos. Por los procesos de conexión y desconexión de los compresores se originan fluctuaciones en la presión, que repercuten negativamente en la seguridad de funcionamiento del sistema. Para excluir tales fenómenos perjudiciales tienen que instalarse unidades de mantenimiento en todo sistema neumático. Para el secado o deshumidificación del aire comprimido, de disponen de diversos procesos o métodos dependiendo del empleo de cada uno de ellos y de la calidad que deseamos obtener del aire en cuestión. 7.7.2 Función De Las Unidades De Mantenimiento

La unidad de mantenimiento abarca los siguientes componentes:

• Filtro • Válvula reguladora de presión • Lubricador

El filtro con separador de agua limpia el aire comprimido de suciedad, sinterizado de tubos, óxido y agua condensada. Los filtros limpian el aire comprimido de partículas sólidas y gotitas de humedad. Las partículas de suciedad son retenidas por un filtro. Los líquidos son evacuados a la funda del filtro por un dispositivo al efecto. El agua acumulada en la funda del filtro tiene que vaciarse de vez en cuando, pues de lo contrario sería arrastrada por el aire comprimido. Para el vaciado pueden utilizarse separadores de agua automáticos. En diversos ramos se necesita con frecuencia aire microfiltrado, por ejemplo en el sector químico y farmacéutico, en la técnica de procesos y en la industria alimentaria. Para estos casos se utilizan microfiltros. Los microfiltros eliminan del aire comprimido las más minúsculas gotas de agua y aceite así como partículas de suciedad aún presentes. Con esto se purifica el aire comprimido hasta un grado del 99,999% (referido a un tamaño de las partículas de 0,01 micrón). La válvula reguladora de presión regula el aire comprimido suministrado a la presión de trabajo ajustada y compensa fluctuaciones de la presión. Esta mantiene prácticamente constante la presión de trabajo (lado secundario), con independencia de golpes de presión producidos en la generación del aire comprimido (lado primario) y del consumo de aire. La presión de entrada ha de tener siempre el mismo valor que la presión de trabajo. El lubricador proporcional enriquece el aire purificado con una niebla de aceite dosificable. La dosificación de niebla de aceite es proporcional al caudal de aire. Suministra una niebla de aceite a los elementos neumáticos. El aceite es succionado del depósito de reserva por el principio Venturi. El aceite se pulveriza en la corriente de aire, siendo siempre la cantidad de aceite proporcional al caudal de aire. El lubricador sólo comienza a trabajar cuando existe una corriente de aire suficiente. Los lubricadores deberían utilizarse sólo en caso necesario.


25

7.7.3 Distintas Alternativas Para El Acondicionamiento Del Aire

i) Tratamiento A La Salida Del Compresor

• Refrigeración posterior de agua • Refrigeración posterior de aire • Secadores

ii) Tratamiento De Aire En Las Redes De Distribución

• Filtros separadores cerámicos • Separadores centrífugos

iii)Tratamiento Del Aire En Los Puntos De Utilización

• Filtros de partículas • Filtros colescentes • Reguladores de presión • Lubricadores

7.8 COMPRESORES 7.8.1 Definición

Un compresor es una maquina destinada a incrementar la presión de aire, o de un gas o mezcla de gases, a partir de la presión atmosférica, con el fin de proporcionales energía y utilizarlos en múltiples aplicaciones. Los gases, sea cual sea su presión, tienen la propiedad de ocupar todo el volumen del recinto que los contiene. En su comportamiento, cumplen la llamada ecuación de estado, que se expresa por:

P . V = n . R . T Donde P es la presión a la que esta sometido, V el volumen del recinto donde se encuentra, n la cantidad de moles del gas, T la temperatura, y R una constante que recibe el nombre de constante universal de gases. Por lo tanto, cuando se ha de elevar la presión de una determinada cantidad de gas se disminuye el volumen del recinto que lo contiene, incrementándose normalmente la temperatura. Un gas contiene en su seno una cierta cantidad de energía que puede encontrarse en varias formas, como son la presión y la temperatura, además puede contener otras dos modalidades de energía, la de posición y la de velocidad, también llamada cinética. La energía de posición tiene un valor muy reducido en todas las instalaciones industriales, dado su poco peso, por lo que en todos los casos se desprecia. La energía cinética existe cuando el gas se desplaza, alcanzando valores a tener en cuenta solamente si se trabaja con presiones muy reducidas, como es el caso del aire acondicionado, o en la salida de gas a la atmósfera a través de boquillas. De todo lo anterior se deduce que la manera lógica de obtener energía de un gas, e incluso poderla almacenar, es incrementando su presión, a través de un compresor.


26

7.8.2 Clasificación De Los Compresores, Funcionamiento, Campos De Aplicación.

7.8.2.1 Clasificación De Compresores: Rangos De Uso

Los compresores que se fabrican hoy en día se dividen en dos grandes grupos, atendiendo a su principio de funcionamiento: turbocompresores o dinámicos y volumétricos o estáticos. Radiales o centrífugos Turbocompresores Eyectores Axiales De pistón Compresores Alternativos De membrana

Volumétricos De paletas Rotativos

De tornillo Los turbocompresores están basados en el teorema de la cantidad de movimiento, donde gracias a la fuerza recibida del motor de arrastre se aumenta la velocidad del fluido, para posteriormente transformarla en presión. Los mismos constan de un órgano fundamental denominado rodete, que gira sobre su eje, donde se produce la transformación de la energía mecánica, que recibe del motor de arrastre en energía de fluido. Los compresores estáticos, llamados también de desplazamiento positivo, basan su funcionamiento en la ecuación de estado y al principio de Pascal, es decir, aumentan la presión del gas gracias a la reducción el volumen, transmitiéndola íntegramente a todo el fluido situado aguas abajo. Los compresores alternativos son los más utilizados en la industria por sus notables ventajas y características, que los convierten en los mas económicos tanto en el momento de su adquisición como de su uso. 7.8.3 Compresores De Desplazamiento Positivo

Estos compresores pueden ser alternativos o rotativos. 7.8.3.1 Alternativos

1. Compresor De Cruceta Constan de un cilindro donde se desplaza alternativamente un embolo arrastrado desde el exterior por un vástago o simplemente por una biela; cuando este comienza a salir del cilindro se crea una succión que permite la entrada de aire desde el exterior a través de una válvula, llenándolo. Cuando el pistón regresa se reduce el volumen y se incrementa la presión del aire hasta alcanzar un valor en que se abre una válvula que conecta el cilindro con el servicio. Cuando el pistón regresa se reduce el volumen y aumenta la presión del aire hasta alcanzar un valor en que se abre una válvula que conecta el cilindro con el servicio.


27

En determinados compresores de prestaciones reducidas el pistón es sustituido por una membrana que desplazada alternativamente crea la succión y la compresión dentro de una cámara. Reciben el nombre de compresores de membrana. Pueden ser accionados mecánica o hidraulicamente. Los compresores de diafragma accionados mecánicamente se fabrican únicamente para pequeñas capacidades y presiones moderadas además de cómo bombas de vacío. Los de accionamiento hidráulico, son más apropiados para la producción de altas presiones. 2. Compresores De Simple Y De Doble Efecto Los compresores alternativos solo proporcionan aire comprimido cuando el pistón se desplaza en un sentido, siendo útil solamente una de las caras de este, en tal caso se dice que el compresor es de simple efecto. Dicho inconveniente puede resolverse con los compresores de doble efecto que disponen de otro juego de válvulas en el otro lado del pistón, verificándose la expansión y la aspiración en un lado de aquel, mientras en el otro se produce la compresión y el escape y a la inversa. Lógicamente, los compresores de doble efecto casi duplican el caudal proporcionado con relación a los de simple efecto e incrementan notablemente el rendimiento, pero aumentan su complejidad, elevándose los costos de fabricación. Por estos motivos se utilizan los primeros cuando se requieren altas prestaciones de caudal y presión, no mereciendo la pena duplicar las válvulas en los compresores de pequeña potencia.

Admisión Escape

Admisión

Escape


28

2. Compresión Por Etapas La elevación total de la presión del aire en un compresor puede llevarse a cabo de una sola vez, en un cilindro, o bien hacerlo en dos o más escalones. En este caso el compresor dispondrá de tantos cilindros como etapas y el aire pasara por presiones intermedias, si bien un compresor puede utilizar dos o más cilindros para la compresión de una etapa. La ventaja de estos compresores reporta en el aprovechamiento de los escalones intermedios para refrigerar el aire, consiguiendo de esta manera aminorar la potencia requerida. 7.8.3.2 Compresores Rotativos

Los compresores volumétricos rotativos disponen de un cuerpo o carcaza, generalmente cilíndrica, dentro del cual están dispuestas unas piezas móviles giratorias de una forma variada, que crean unos recintos que en primer lugar atrapan el aire mediante succión, para luego disminuir su volumen, elevar su presión y al mismo tiempo desplazarlo hacia su salida, en contacto con una zona de mayor presión. Entre este tipos de compresores cabe citar los de paletas y los de tornillos como os mas importantes. 1. Compresor A Tornillo Son maquinas de desplazamiento positivo con una determinada relación de compresión. La carencia de válvulas de aspiración e impulsión y la inexistencia de fuerzas mecánicas desequilibradoras, hacen que este compresor pueda funcionar a elevadas velocidades. En consecuencia, combina una elevada capacidad con reducidas dimensiones. El aire aspirado llena un espacio existente entre dos lóbulos que disminuye gradualmente según giran los mismos, comprimiéndose así. Los compresores de tornillo del tipo seco utilizan engranajes de sincronización externos para los lóbulos, que al no haber contacto entre estos, ni con la carcaza no se necesita lubricación dentro de la cámara de compresión. Para mantener el rendimiento del compresor en pequeñas capacidades se requieren velocidades de ejes muy altas.


29


30


31

2. Compresores Soplantes Rotativos De Dos Impulsores Se conocen como compresores de doble rotor o de doble impulsor aquellos que trabajan con dos rotores acoplados, montados sobre ejes paralelos, para una misma etapa de compresión. Una máquina de este tipo muy difundida es el compresor de lóbulos mayor conocida como "Roots", de gran ampliación como sobre alimentador de los motores diesel o sopladores de gases a presión moderada. Los rotores, por lo general, de dos o tres lóbulos están conectados mediante engranajes exteriores. El gas que entra al soplador queda atrapado entre los lóbulos y la carcaza; con el movimiento de los rotores de la máquina, por donde sale, no pudieron regresarse debido al estrecho juego existente entre los lóbulos que se desplazan por el lado interno.

3. Compresor De Paletas Este tipo de compresores consiste básicamente de una cavidad cilíndrica dentro de la cual esta ubicado en forma excéntrica un rotor con ranuras profundas, unas paletas rectangulares se deslizan libremente dentro de las ranuras de forma que al girar el rotor la fuerza centrifuga empuja las paletas contra la pared del cilindro. El gas al entrar, es atrapado en los espacios que forman las paletas y la pared de la cavidad cilíndrica es comprimida al disminuir el volumen de estos espacios durante la rotación.

4. Compresor De Anillo Líquido Son compresores exentos de aceite, de desplazamiento positivo y con una relación de compresión determinada. Tiene un rotor con una serie de alabes fijos montados en un cilindro, de manera que la cámara entre álabes y cilindros varia cíclicamente en cada vuelta.


32

El cilindro está prácticamente lleno con un líquido. Durante el funcionamiento el líquido es proyectado contra el cilindro por la acción de los álabes. Por la fuerza centrifuga el agua forma un anillo sobre el cilindro, cuya pared interior varia en distancia al rotor en la misma medida que lo hace el cilindro. Así, el espacio entre álabes varía cíclicamente. La refrigeración es directa y la temperatura de descarga prácticamente coincide con la de aspiración. Se utilizan para procesos que requieran poca elevación de la temperatura (compresión isotérmica)

7.8.4 Compresores Dinámicos

7.8.4.1 Compresores Centrífugos

Se caracterizan por su flujo radial y por su compresión en etapas. El aire entra por el centro de una rueda giratoria, provista de aletas radiales (impulsores), las cuales lanzan el aire hacia la periferia mediante la acción de la fuerza centrifuga. Antes de ser guiado hasta el centro del siguiente impulsor el aire pasa a través de un difusor que transforma la energía cinética en presión. Se adaptan bien a la refrigeración intermedia en cada etapa. Los compresores centrífugos por debajo de 4 bar por lo general no se refrigeran. Las velocidades de funcionamiento son altas en comparación con otros compresores. 7.8.4.2 Compresores Axiales

Se caracterizan porque el flujo sigue la dirección de su eje. El gas pasa axialmente por el compresor por hileras alternadas de paletas estacionarias y rotativas que comunican velocidad y luego presión al gas. La refrigeración entre etapas es dificultosa, limitando la relación de presión. Funcionan a mayores velocidades que los centrífugos y se utilizan en aplicaciones donde es necesario caudal constante y presiones moderadas. 7.8.5 Aplicaciones Especiales

7.8.5.1 Bomba De Vacío

Es un compresor que succiona a una presión por debajo de la atmosférica y descarga a la presión atmosférica. Las aplicaciones características comprenden: evaporación, destilación, cristalización, etc. El vacío se aplica especialmente para eliminación de gas o condensado de un producto, que por determinadas circunstancias no puede ser sometido a temperaturas elevadas.


33

La utilización del vacío, con frecuencia, aumenta el rendimiento o reduce el tiempo de proceso. El rendimiento mecánico de esta bomba es, generalmente, inferior que para un compresor. 7.8.5.2 Eyectores

Los eyectores requieren poca atención y mantenimiento. En la industria se utilizan mucho eyectores de vapor que resultan útiles para producir un vacío relativamente alto. Penetra vapor de agua a 7 atm. en una boquilla convergente-divergente, de la cual pasa a velocidad supersónica a un cono difusor. El aire que es preciso arrastrar se mezcla con el vapor en la primera parte del difusor, la energía cinética de los gases mezclados se convierte en energía de presión. 7.8.5.3 Supresores

Si se trate de elevar la presión del gas partiendo de un valor superior al de la presión atmosférica, la maquina se denomina supresor o booster. Sus aplicaciones son numerosas, especialmente en los campos del petróleo, gas y en ciertos tipos de minas. Se utilizan con frecuencia en conducciones largas para compensar la caída de presión. 7.8.6 Rangos De Usos

Para grandes caudales, bajas relaciones de compresión, y bajas presiones de descarga se suelen utilizar los compresores centrífugos. Para mayores relaciones de compresión y mayores presiones finales se utilizan los alternativos. Respecto al rendimiento podemos decir que los mejores son los de pistón, seguidos por los centrífugos multietapas, con inter-cooler y por ultimo los de tornillo. Un aspecto importante a tener en cuenta será la presencia de nieblas de aceite en el aire. Se deberá estudiar, en el caso particular de cada planta, las consecuencias que podría acarrear los rastros de aceite en el aire. En ciertas partes del proceso donde sea prohibitiva toda presencia de aceite, deberán instalarse filtros de carbón activado para eliminarlo. Si la demanda de aire totalmente exento de aire es importante, entonces en lugar de eliminarlo mediante filtros, de deberá estudiar la posibilidad de instalar compresores libres de aceite. En este ultimo caso, lo mas efectivos son los centrífugos, que garantizan 100% de aire libre de aceite.


34

7.8.7 Parámetros En El Calculo De Potencia Y Selección De Un Compresor

Hay aplicaciones que pueden ser satisfechas por mas de un compresor. Para elegir se debe hacer un análisis económico teniendo en cuenta los costos iniciales (Inversión), de funcionamiento y de mantenimiento. En una inversión al largo plazo, primero tenemos en cuenta los costos de funcionamiento, luego los de mantenimiento y por ultimo la inversión. De los costos producidos por un sistema de aire comprimido, el 10 % esta representado por la compra, mientras que el costo de funccionamiento esta representado por un 75% Otros Factores:

• Gas a comprimir. • Presión: de succión y descarga, etapas del compresor. • Temperatura. • Caudal efectivo (real de acuerdo a condiciones climáticas) • Altura de aspiración sobre el nivel del mar. • Tiempo de funcionamiento. • Grado de utilización. • Calidad de aire • Nivel sonoro • Tipo de refrigeración • Futuros incrementos de demanda • Espacio disponible • Costos iniciales, operativos y de mantenimiento. • Nivel sonoro. • Inversión inicial

AXIALES VENTILADORES

P (bar)

ALTERNATIVOS

ROTATIVOS CENTRIFUGOS

Q (m3/h)


35

• Servicio posventa. 7.8.7.1 Capacidad De Un Compresor

Se le llama al volumen de aire comprimido por unidad de tiempo y está dado para funcionamiento en doble efecto por:

Q = A * V * ηv * P1 / P2 (m3/seg)

A = área del émbolo P1 = presión de aspiración

V = velocidad del émbolo P2 = presión de salida

ηv = rendimiento volumétrico = Vol. de aspiración / Vol. de barrido

7.8.7.2 Potencia De Un Compresor

La potencia instalada de un compresor es:

N = Pm * A * V / 75 (CV)

Pm = presión media en el interior de un cilindro.

El rendimiento total varía de los pequeños a los grandes compresores de 0,6 a 0,7. 7.8.7.3 Ventiladores

Operan a presión no muy distinta de la atmosférica. Se utilizan para producir el tiraje en las chimeneas de hornos industriales, alimentación de hornos metalúrgicos, para ventilación y calefacción locales. Si se lo emplea para extraer aire se lo denomina extractor. Existen tres tipos básicos: • Axiales: son de impulsión directa, fáciles de instalar y su caudal de aire es de sentido constante,

se puede variar el caudal.

Q entrada Q salida

P salida > P entrada


36

• Centrifugo: El sentido de circulación de aire se deflecta 90º al pasar por el ventilador, utilizandose la fuerza centrifuga para incrementar la presión del aire. Se dividen en tres rangos: baja presión (0-1000 N/m2), media presión (1000-5000 N/m2), baja presión (5000-10000 N/m2). Los de media y alta presión se llaman maquinas soplantes y se utilizan para el servicio de hornos metalúrgicos.

• Mixto: la circulación es en ángulo oblicuo, por lo que existe una componente de velocidad

radial mediante la cual la fuerza centrifuga origina un incremento de la presión estática. Por esta razón puede proveer una presión mas elevada a la misma velocidad periférica que uno axial. No son muy comunes.

Para alta presión se utilizan los ventiladores centrífugos, excepto cuando se requiere un volumen variable de aire, donde se utilizan ventiladores axiales de inclinación variable, por su menor consumo de potencia.

Q entrada

Q salida P salida > P entrada

Q salida

P salida > P entrada Q entrada


37


38

7.8.8 Características Principales De Los Distintos Compresores

DESPLAZAMIENTO POSITIVO DINÁMICOS

Tipo de compresor

Simple efecto dos

etapas Doble efecto Paletas

Tornillo húmedo

Tornillo seco Centrífugo Axial

Presión máxima (bar) 14 14 8 0/20 10 8 8

Capacidad m3/min. 0/7 9-90 0/10 1.-21 10/340 50/170 170/1000 Regulación de capacidad Válvula de descarga

Todo o nada

Todo o nada

Todo o nada Flujo total

Flujo total

Tipo de flujo Pulsante Pulsante

Estable y alta

frecuencia

Estable y alta

frecuencia

Estable y alta

frecuencia Exento Exento Etapas 2 2 1 01-Feb 2 04-Jun Oct-25

Enfriamiento Aire o agua Aire o agua Aire o agua

Aire o agua

Aire o agua Agua Agua

Lubricación Bomba en cigüeñal

Bomba en cigüeñal +

goteo

Aceite inyectado sin bomba

Aceite inyectado con o sin bomba NO NO NO

R.P.M. 600 a 1800 600 a 1000 400 a 30001200 a 4000

5000 a 25000 5000 a 80000

6000 a 20000

Sellado del espacio de trabajo Aros Aros Paleta

Contacto con

película de aceite

Flujo laminar y vórtice tipo laberíntico

Desplaza-miento tangencial m/seg. 2,5 a 5 2,5 a 5 12 a 20 12 a 31 70 a 90 150 a 320 150 a 320 Variación del torque

Depende del número de cilindros Imprescindible Exento

Método de arrastre Directo o con correa Directo Insumo

HP/ m3/min 8.07 a 9,75 6,7 a 7,93 8,7 a 10,5 7,5 a 10,1 6,05 a 9,29 8,5 a 10,17 8,2 a 10,1

Costo inicial 1,7 1,8 a 3 1,2 1,2 1 1 a 1,2 1,5 Costo de instalación 1,5 a 3 1,5 a 3 1,5 1 1,5 3 3 Costo de mantenimiento 1,9 1,4 1,8 1,2 1 1,3 a 1,7 1,5 a 1,9

Los valores mencionados en ésta tabla están referidos a los siguientes parámetros:

Presión de trabajo: 7 bar relativos Altitud nivel del mar: 0 a 1000 MSNM Temperatura: 15 ª C

Caudales medidos como aire libre suministrado a presión atmosférica

Máquinas incluido el post-enfriador , con un salto no mayor a 12ª C sobre la temperatura ambiente o agua de enfriamiento

Solo se consideran compresores de aire comprimido


39

7.8.9 Propiedades Condicionantes De Los Gases A Comprimir

El punto de partida para la selección de un compresor debería ser un correcto y completo análisis del gas a comprimir. La operación eficiente de un compresor depende en gran parte de la confiabilidad y certeza con que el gas le sea definido al fabricante del compresor. • Peso Molecular: influye sobre el tipo de diseño y rendimiento del compresor. En condiciones

normales de presión y temperatura, la densidad de un gas es proporcional al peso molecular. La influencia de la densidad es más importante en los compresores centrífugos que en los alternativos por el tipo de acción que imprimen al gas.

• Relación De Calores Específicos: El exponente de compresión adiabática k=Cp/Cv (para gases

perfectos), es esencial para calcular la potencia teórica de un compresor, como así también la temperatura que resultará del calor de compresión. Teóricamente un gas con un valor bajo de k puede ser comprimido con valores mayores de relación de compresión por etapa manteniendo la temperatura dentro de los limites deseados.

• Compresibilidad: es un termino que se usa para describir la desviación de un gas de las leyes

de los gases perfectos y es un factor muy importante en el diseño y selección de compresores de alta presión. Afecta la proporcionalidad entre etapas de compresión ya sea en compresores centrífugos como alternativos.

• Contenido De Humedad: es de vital importancia, dado que los consumos de las maquinas de

proceso se refieren generalmente a aire seco, por lo tanto si no se sobredimensiona con margen suficiente para compensar el efecto de la humedad, no será posible obtener las cantidades de aire que se requieren en el proceso.

• Corrosividad: es fundamental conocer los elementos corrosivos que se puedan presentar tanto

cuali como cuantitativamente. Estos elementos son importantes para la selección de los materiales de construcción, los materiales de los sellos y los lubricantes.

• Contaminantes: la presencia aun en pequeñas cantidades de contaminantes tales como

partículas sulfurosas o cloruros, pueden provocar corrosión y otros problemas mecánicos. La presencia de partículas abrasivas, producen desgaste de aros, cilindros, válvulas, empaquetaduras y bielas, lo que se traduce en elevados costos de mantenimiento. Los contaminantes deben eliminarse antes que ingresen a los compresores, pudiendo utilizar prefiltros y adecuando la ubicación de las tomas de aire del compresor.

7.9 AIRE COMPRIMIDO/TEORÍA SOBRE INSTALACIONES 7.9.1 Generación Y Acondicionamiento Da Aire Comprimido

7.9.1.1 Ubicación

La elección del lugar apropiado para la construcción de la sala de compresores dependerá de gran manera de la longitud y la envergadura de la red de distribución de aire comprimido. En principio siempre se elegirá la zona más fría de la fabrica con el objeto de aspirar el aire a la menor temperatura posible. Si es posible, la sala de compresores debe estar equidistante de los puntos de consumo de fabrica, o situada teniendo en cuenta los mayores consumos que puedan originarse, con


40

objeto de evitar grandes diámetros de tubería de conducción o perdidas de presión por el transporte de aire a grandes distancias. Al emplazar los compresores, debemos elegir un local cerrado, pero bien ventilado, y lo más exento posible de polvo y suciedad. Cuanto más baja sea la temperatura ambiente, mejor será la disipación de calor cedido por los compresores. A ello podrían ayudar la colocación de ventiladores con objeto de establecer una corriente de aire de barrido. Una solución interesante a este problema es la recuperación del calor cedido por el compresor para utilizarlo en otras necesidades. En cualquier caso, la temperatura de la sala no debe ser superior al los 30-38 ºC 7.9.1.2 Aspiración

La aspiración debe situarse en un lugar totalmente desprovisto de polvo y de cualquier elemento contaminante. También para que el rendimiento del compresor sea máximo, el aire deberá ser todo lo frío posible. Una disminución de la temperatura de 3 ºC aumenta la masa de aire aspirado en un 1/100 y el volumen de aire suministrado aumentara también en un 1/100. Los compresores pequeños y los de tamaño mediano, suelen tomar el aire directamente de la sala de compresores, los de tamaño grande lo hacen por medio de un tubo de aspiración que sale al exterior del edificio. Cada compresor debe tener un tubo de aspiración independiente, debiendo evitarse tuberías comunes para varios compresores. Es importante también verificar los filtros de admisión para verificar que no se encuentre deteriorado o colmado, reduciendo el rendimiento del compresor. 7.9.1.3 Impulsión

Normalmente la impulsión se lleva por tubería dentro de la sala de compresores, bien por el suelo en zanjas, o bien aérea, de modo que no se obstaculicen los movimientos dentro de dicha sala. El ducto de impulsión debe montarse con pendiente en sentido del flujo de aire para evitar que el agua condensada escurra en dirección del compresor. Es obligatorio entonces colocar purga automática en su final, si la distancia hasta el tanque es larga. Generalmente, cada fabricante de compresores indica las dimensiones de la tubería, las cuales por ningún concepto deben variarse. 7.9.1.4 Deposito de aire

Toda instalación de aire comprimido debe disponer de un deposito de aire a presión entre el compresor y la red de distribución procurando excitar las distancias largas entre el compresor y él deposito. La función de los depósitos de aire es: • Equilibrar las pulsaciones de aire • Acumular aire comprimido • Actuar de distanciador de los periodos de regulación • Refrigerar el aire, recoger el aceite y el agua condensada No se debe confundir un deposito con una fuente de energía por aire, pues cuando el deposito actúa de acumulador, es para atender una demanda de aire instantánea y no para suministrar aire continuamente. Tampoco es recomendable conectar varios compresores a un solo deposito. Lo que sí es conveniente en muchos casos, es instalar uno o más recipientes adicionales después del deposito principal.


41

7.9.1.5 Compresores

De todos los compresores ofrecidos en el mercado, podemos decir que los de mejor rendimiento son los de pistón, seguidos, luego por los centrífugos multietapas con intercooler, y por ultimo los de tornillo. Un aspecto importante a tener en cuenta en una instalación es la presencia de nieblas de aceite en el aire. Se deberá estudiar en el caso particular de cada planta las consecuencias que podría acarrear la presencia de rastros de aceite en el aire. En ciertas partes de proceso donde sea prohibitiva toda presencia de aceite, deberán instalarse filtros de carbón activado para su eliminación. Si la demanda de aire de aire sin aceite es importante, entonces en lugar de eliminarlo mediante filtros, se deberá estudiar la posibilidad de instalar compresores libres de aceite, los cuales son mucho más caros que sus similares comparados con los compresores comunes. En el primer caso, los más efectivos son los centrífugos que garantizan 100% de aire libre se aceite, los siguen los de pistón seco con aros de carbón y camisas teflonadas, los cuales requieren cambio de cuerpo cada 3 o 4 años por falla en los sellos. Por ultimo en categoría, tenemos los de tornillo seco y los de tornillo húmedo. • Regulación De Compresores La regulación de los compresores tiene por objeto ajustar el suministro de aire dado por los compresores a la demanda de aire real motivada por los consumos de fabrica. A veces, no es necesario controlar la capacidad de un compresor, pues la demanda supera la capacidad de producción de este. Sin embargo, lo normal es que el gasto de aire sea variable ya que no todos los equipos neumáticos tienen un trabajo continuado y constante. Cuando la demanda de aire varia, la capacidad del compresor se regula por medio de un nivel de presión montado en el tubo de descarga o en el deposito de aire. Aparte de la función de ajustar el suministro a la demanda, la regulación también tiene por objeto mantener la presión dentro de los límites establecidos por los fabricantes de herramientas y componentes neumáticos, ya que estos elementos se han diseñado para trabajar a una presión determinada, por lo que cualquier sobrepresión acarrearía destrozos en los órganos mecánicos. En los compresores de pistón el método más usual es el de control de la válvula de aspiración. Se utiliza un mecanismo de mordaza que mantiene las placas de las válvulas de aspiración abiertas siempre que no exista demanda de aire comprimido. Con las válvulas de aspiración abiertas, el aire circulara libremente hacia dentro y fuera del cilindro siguiendo al pistón. Se necesita una presión mínima para accionar el mecanismo de descarga. El consumo de energía se reduce a las perdidas por fricción del aire y las mecánicas del compresor. La válvula de aspiración se mantiene abierta a través del mecanismo de descarga, para que el mecanismo funcione es necesario que la presión alcance determinado valor (la señal que envía la presión del deposito cuando esta lleno). La válvula se cierra cuando la presión del deposito desciende a su limite inferior, el sensor libera el mecanismo de garras y el compresor comienza a cargar nuevamente (tanto el límite inferior como superior se pueden ajustar dentro de ciertos valores). El objeto de este mecanismo es evitar los arranques frecuentes o los volúmenes de deposito demasiado grandes.


42

7.9.1.6 Acondicionamiento del aire

Para el secado o deshumectación del aire comprimido, industrialmente se dispone de diversos procesos o métodos, dependiendo el empleo de cada uno de ellos de la calidad que deseamos. Para el secado o depuración, y en general para su acondicionamiento, debemos distinguir tres apartados bien definidos: Tratamiento del aire a la salida del compresor

• Refrigeración posterior de agua • Refrigeración posterior de aire • Secadores frigoríficos y por adsorción

Tratamiento de aire en las redes de distribución

• Filtros separadores cerámicos • Separadores centrífugos

Tratamiento del aire en los puntos de utilización

• Filtros de partículas • Filtros colescentes • Reguladores de presión • Lubricadores

Cada uno de estos apartados incluye un proceso industrial para el tratamiento del aire comprimido, que tiene su particular elección y su propio campo de actividad. Es conveniente escoger en cada momento aquel que esté mas en consonancia con el objeto industrial a que va destinado, olvidándonos del precio de costo, pues pretender ahorrar en el acondicionamiento del aire, es siempre una mala inversión de rentabilidad dudosa.

A la red de aire

Aire comprimido del compresor

Sensor de presión

Pulmón

Señal

Aire a presión del mecanismo de garras

Admisión del compresor


43

• Secado Del Aire Los secadores son equipos destinados al tratamiento del aire con el fin de reducir en su contenido de vapor de agua, así si sufren un posterior enfriamiento, hasta alcanzar una determinada temperatura limite (punto de rocío) no presentan condensación alguna. Para su correcto funcionamiento, y en general para contribuir a una depuración efectiva del fluido comprimido, deben ir precedidos de los siguientes elementos: Un elemento corrector de la temperatura del fluido compresor para que este, normalmente no supere los 25 ºC a 30 ºC a su admisión en el equipo secador. Por lo general, cubre esta misión el refrigerador posterior que lleva el compresor a su salida. Un eficaz eliminador del agua y aceite arrastrados en fase liquida, así como los aerosoles o vapores de aceite transportados por el flujo del fluido comprimido, son los secadores de adsorción. Si el compresor es del tipo normal a pistón o lubricados, el elemento requerido para secadores de adsorción es un “separador-desoleador” que actúa en dos fases: en la primera, separando mediante una centrifugación ciclónica, las fracciones liquidas o nebulizadas, y en la segunda, por adsorción de los vapores de aceite que son retenidos por la acción de un adsorbente. Si el compresor es de tipo libre de aceite, al no existir la posibilidad de contaminación del fluido comprimido por el aceite, es suficiente recurrir a la inclusión de un simple separador ciclónico o filtro cerámico. Finalmente, para completar la depuración del fluido comprimido, una vez tratado en el equipo secador, es conveniente incluir un adecuado elemento de filtración, capaz de retener toda partícula sólida arrastrada por el fluido comprimido, hasta el nivel mínimo de 1-5 Micrones con eficacia del 99.5%, cuando las exigencias técnicas así lo hagan precisen. Como norma, en los secadores de adsorción los elementos citados forman un conjunto con el secador para constituir una sola unidad o grupo, permitiendo eliminar de la red de distribución toda una serie de filtros, separadores, purgadores, etc, que la hacen mas compleja y de rendimiento muy inferior al que presente una fuente completa de suministro de un fluido comprimido seco y perfectamente depurado. Conviene percatarse de la diferencia entre una instalación convencional de aire comprimido y una instalación de aire comprimido con secador. Los componentes que entran en una instalación convencional son:

• Refrigerador posterior (por aire o agua) que reduce la temperatura del aire comprimido en 10 ºC por encima de la temperatura de entrada del agente de refrigeración.

• Deposito de aire con purgador automático, estratégicamente situado en el exterior de la caseta de compresores, para aumentar mas la separación de los condensados.

• Separador o filtro principal con purga automática, situado antes de la distribución de los ramales por la planta de fabrica, para volver a precipitar los condensados.

• Separadores o filtros en los principios de las líneas secundarias, al objeto de volver a reducir la humedad del aire comprimido y decantar nuevos condensados.

• Tuberías principales y secundarias: con pendientes en la dirección del flujo de aire para evitar bolsas en las que pueda quedar agua, siendo el trazado en circulo abierto y debiendo llevar en sus extremos finales purgas automáticas o manuales.

• Tuberías de servicio con salida desde la parte superior de la red principal o secundaria • Filtros especiales para tuberías en aquellas secciones de fabricación que requieran una

calidad superior del aire comprimido. • Grupos combinados en cada una punto de toma o conexión de los elementos neumáticos de

producción.


44

En una instalación con secador, este disminuye el punto de rocío del aire comprimido hasta un nivel suficiente para que la humedad y el vapor de aceite queden reducidos antes de su entrada en las redes de distribución, pudiendo decir que prácticamente no debe haber condensaciones de agua en los puestos de utilización. El secador constituye la ultima etapa en la depuración del aire y presenta las siguientes ventajas:

• Punto de rocío constante independiente de la carga. • El coste de la instalación de la red de aire comprimido se reduce a un 30% dado que se

excluyen los elementos adicionales necesarios en una instalación convencional. • Los gastos de mantenimiento de la maquinaria y herramientas se reducen en un 25%. • Se evita la corrosión. • La humedad relativa es inferior al 35% en plantas de aire comprimido interiores. • Gastos de funcionamiento, incluyendo amortización, muy reducidos, solo un 5-10% de los

costos totales de la producción del aire comprimido. Los métodos mas utilizados son: Sobrecompresión: El gas se comprime hasta que la presión parcial del agua excede a la presión de saturación, esta es mayor que la presión de trabajo. Cuando el aire se expande tras el separador de agua, el aire esta tan seco como sea necesario. Este es el método mas sencillo, es continuo y no necesita elementos desecantes, el consumo de potencia es alto por lo que solo se utiliza para pequeñas capacidades. Refrigeración posterior de agua: A bajas temperaturas la capacidad del aire para contener humedad se reduce. El método clásico para secar el aire es colocar un refrigerador posterior. Cuando no es suficiente el punto de rocío alcanzado se utiliza un método de secado por refrigeración. Como la temperatura no debe ser tan baja que permita la formación de hielo, el punto de rocío esta limitado ente +6 y +2 ºC. La separación mecánica (Sobrecompresión y refrigeración) son mas costosas que las que utilizan agentes desecantes. Absorción: Puede realizarse a través de agentes sólidos, estos a su vez pueden clasificarse como insolubles (cal deshidrogenada, perclorato de magnesio) que reaccionan químicamente con el vapor de agua sin pasar al estado liquido y por medio de agentes delicuescentes como el cloruro de litio o de calcio que pasan al estado liquido durante la absorción. La delicuescencia ocurre espontaneamente cuando la presión parcial del agua en el aire supera a la presión del agua en la solución salina saturada. La mayoría de estos agentes son corrosivos y existe el riesgo de que sean arrastrados por el aire seco. También se ablandan y calcinan a temperaturas mayores a los 30ºC.


45

Adsorción: Es el método mas utilizado industrialmente y el que proporciona los puntos de rocío más bajos. Os agentes actúan por adsorción superficial. El aire húmedo ingresa a la cámara de adsorción por la válvula de admisión, el material adsorbente es silicagel, una vez que el material pasa por la torre sale por la válvula direccional de salida. Dicho aire se encuentra seco, o sea reducido el vapor de agua en el mismo. Cuando la sustancia adsorbente pierde las propiedades de retención de agua se colocan las válvulas direccionales de forma que el aire húmedo sea adsorbido por la otra torre mientras que la primera empieza a ser regenerada mediante el envío de aire calefaccionado que le permite al silicagel recuperar las propiedades.

Ventilador

Aire húmedo

Aire Seco

Válvula Entrada

Válvula Salida

Salida Aire

Entrada Aire

Drenaje

Condensado

Tabletas desecanrtes

Tolva para adicion de desecante

c7 - transporte de gasesmaterias.fi.uba.ar/7202/materialalumnos/antiguo/2010-1c/apuntett… ·...

Documents