Tema 2: Sistemas de Aire Comprimido.pptx

Sistemas de Aire Comprimido

1. Centro de Tecnologías Ambientales - CTA MODULO 2: OPORTUNIDADES DE MEJORAS EN SISTEMAS ELÉCTRICOS TEMA 2: SISTEMAS DE AIRE COMPRIMIDO ING. CIP MANUEL BOCANEGRA ALAYO Experto en Eficiencia Energética Chiclayo , 9 de noviembre del 2013

2. CONTENIDO GENERALIDADES EFICIENCIA EN SISTEMAS DE A/C SISTEMA DE CONTROL DE A/C MEJORAS EN DISTRIBUCIÓN DE A/C RECOMENDACIONES

3. I. GENERALIDADES

4. Energía en la industria La industria necesita gran cantidad de energía mecánica y térmica. La energía mecánica se obtiene de la electricidad, y también del flujo de aire en tuberías. Su aplicación principal es para accionamientos neumáticos. La generación y transporte de fluidos auxiliares para el proceso productivo, tiene un costo.

5. Sistema típico

6. Ing. Víctor Arroyo Tel. [phone] CINYDE S.A.C. Funciones del aire comprimido Un sistema de aire comprimido entrega aire a una presión mayor que la existente para diferentes usos: Transmitir potencia a herramientas neumáticas (pistolas, taladros, etc.). Movimiento de máquinas. Procesos industriales diversos. Transporte de material por ductos. Sistemas neumáticos de control. Suministro de aire como insumo. Limpieza por chorro de arena.

7. Ing. Víctor Arroyo Tel. [phone] CINYDE S.A.C. Componentes de un Sistema de A/C Compresores Volumétricos (pistón, paletas, tornillo, diafragma, etc ) Dinámicos (centrífugos, eyectores) Tanques de aire Deshumificadores de aire Salida de compresor (enfriadores airea/gua, secadores) En redes de distribución (pastillas, filtros cerámicos y centrifugos ). En puntos de uso (filtros, reguladores, lubricadores) Purgadores de aire Tuberías de aire Principales Secundarias Servicio

8. II. EFICIENCIA EN SISTEMAS DE A/C

9. Ing. Víctor Arroyo Tel. [phone] CINYDE S.A.C. Eficiencia en Sistemas de A/C Existen 6 formas de incrementar la eficiencia y obtener ahorros en sistemas de aire comprimido: Selección apropiada de compresores. Uso óptimo de compresores. Evitar derroche de aire por fugas y mal uso. Operación eficiente de equipos que usan aire. Reducir la presión en el sistema. Recuperar el calor de compresión.

10. TIPOS DE COMPRESORES DE AIRE Compresores de Desplazamiento : Este toma una cierta cantidad de aire en un determinado tiempo (dentro de un cilindro) lo comprime por reducción de volumen, y entonces lo descarga a una alta presión. Pistón Reciprocante . Diafragma Reciprocante . Rotary sliding vane. Rootes Blower . Tornillo .

11. Compresores Dinámicos : Continuamente se incrementa la velocidad del flujo de aire proporcionándole una alta energía cinética. Esta Ek es parcialmente convertida en energía de presión, cuando la velocidad del aire en el sistema de distribución disminuye. El flujo de aire a través de un compresor dinámico es ininterrumpido, las pulsaciones de flujo de aire asociadas con los reciprocantes , son eliminadas. Centrífugos . Axiales .

12. Consideraciones Presión de operación Máxima y Media Carga Factor de utilización Tolerancia para fugas de aire Tipo de compresor

13. Ing. Víctor Arroyo Tel. [phone] CINYDE S.A.C. USO ÓPTIMO DE LOS COMPRESORES La operación eficiente de compresores es fundamental para la eficiencia del sistema. Procurar la admisión de aire frío, limpio y seco. Cada 10” H2O de caída de presión en la admisión, reduce la eficiencia del compresor en 2%. Cada 7°F de elevación del aire aumenta el consumo de EE en 1%. Usar tuberías de admisión cortas, directas y de suficiente diámetro.

14. Ing. Víctor Arroyo Tel. [phone] CINYDE S.A.C. Seguir las instrucciones del fabricante sobre el mantenimiento del compresor. Los puntos más críticos a ser chequeados son: Sujeción de fajas de transmisión. Válvulas, pistones y anillos en compresores reciprocantes . Paletas en compresores rotativos. Alabes en turbocompresores. Así mismo, dar mantenimiento a los enfriadores, especialmente la limpieza.

15. Ing. Víctor Arroyo Tel. [phone] CINYDE S.A.C. Usar tanques de aire extra dimensionados, más del usual 1 a 1.5 pie 3 /10 CFM Sirve para acomodar mayores requerimientos o picos de demanda de aire de un compresor pequeño. En puntos de picos súbitos, evita la necesidad de capacidad adicional. El uso y buen estado de los sistemas de control ayudará a reducir el consumo de energía. Reducen los períodos de trabajo en vacío. Reducen el excesivo número de paradas y arranques.

16. Ing. Víctor Arroyo Tel. [phone] CINYDE S.A.C. 6. Evitar fugas de aire Las fugas de aire ocurren frecuentemente en los siguientes puntos: Tanque. Válvulas de cierre y alivio. Tuberías. Juntas. Acoples rápidos. Herramientas y equipos neumáticos. Las fugas de aire producen efectos negativos : Caídas de presión en el sistema Operación ineficiente de máquinas. Pérdida de capacidad y mayor consumo de energía.

17. Ing. Víctor Arroyo Tel. [phone] CINYDE S.A.C. ITEM Diámetro de orificio (mm) 1 2 3 4 Fuga de aire a 100 psi (Nm 3 /min) 0,06 0,60 1,6 6,3 Energía de compresión ( kW ) 0,30 3,10 8,3 33,0 Pérdida (US$/año) 105 1085 2905 11550 Nota : 7000 h/año operación, costo EE : 0.05 US$kWh PERDIDAS POR FUGAS

18. Ing. Víctor Arroyo Tel. [phone] CINYDE S.A.C. Procedimiento para cálculo de fugas de A/C Cerrar las vávulas de acceso a todo equipo. Arrancar el compresor hasta que el sistema alcance la máxima presión y el compresor trabaje sin carga. Anotar tiempo. Debido a fugas, la presión bajará y el compresor empezará a trabajar con carga. Anotar tiempo Calcular fuga : L= Q x T / (T + t) donde: L = fuga del sistema (CFM) T = tiempo “con carga” t = tiempo “sin carga” (en vacio) Q = capacidad del compresor (CFM) Las fugas admisibles de aire no deben superar el 5% de la capacidad del compresor !!

19. Ing. Víctor Arroyo Tel. [phone] CINYDE S.A.C. 7. Operación eficiente de equipos Si el aire comprimido no es acondicionado para su uso, puede ocasionar: Desgaste de sellos y partes móviles de equipos. Reducción de eficiencia. Mayor consumo de aire y energía. Es importante el mantenimiento de: Filtros Reguladores de presión Lubricadores

20. Ing. Víctor Arroyo Tel. [phone] CINYDE S.A.C. Considerar lo siguiente: Ubicar filtros lo más cerca de los equipos. Limpiar o cambiar elementos de filtros regularmente. No operar los equipos a presiones muy superiores al diseño. Lubricar adecuadamente equipos neumáticos.

21. Compresor Presión (psig) Reducción de Energía %) 01 etapa 100 - 90 4 80 9 02 etapas Enfriam . por agua 100 - 90 4 80 11 02 etapas Enfriam . por aire 100 - 90 2,6 80 6,5 8. Reducir la presión del sistema Si las fugas han sido eliminadas, considerar la posibilidad de reducir la presión del compresor:

22. Ing. Víctor Arroyo Tel. [phone] CINYDE S.A.C. 9. Recuperar calor de un compresor Casi un 90% de la energía de compresión se puede recuperar como calor y obtener ahorros. Por ejemplo un compresor de 100 CFM (26 HP) trabajando a 100psig, pierde 6500 Btu /h. Las temperaturas típicas son: Enfriamiento por agua : 70 – 98 ºC Enfriamiento por aire : 30 – 50 ºC

23. III. SISTEMA DE CONTROL DE A/C

24. Un sistema de control de aire comprimido se selecciona para satisfacer la demanda de aire de la manera más económica . El incremento de la eficiencia puede ser obtenida por medio de sistemas de control sobre la premisa que muchos compresores trabajan la mayoría del tiempo por debajo de su máxima carga. Un compresor que opera parcial o totalmente descargado por una apreciable cantidad de tiempo, puede consumir hasta 75% de su potencia a plena carga, por el bajo factor de potencia y la reducción de la eficiencia del motor.

25. Los métodos más comunes de control son: por modulación " off loading “. Sin embargo, el control automático que detiene al compresor cuando ha estado operando sin carga por mas tiempo que el preestablecido, ahorra energía y desgaste del compresor . Para instalaciones donde existen amplias fluctuaciones en la demanda de aire, el uso de varios compresores pequeños conectados a un centro de control , permite la parada de una o más unidades cuando la demanda de aire es baja, reduciéndose significativamente el consumo de energía.

26. IV. MEJORAS EN DISTRIBUCIÓN DE A/C

27. Mantenimiento del compresor : Como cualquier otra máquina, un apropiado mantenimiento del compresor es importante para la eficiencia . Una particular atención se debería dar a: Fajas o correas de transmisión Sistema de lubricación Válvulas o deterioro de las paletas de la turbina. Sistema de refrigeración MEJORAS EN LA DISTRIBUCIÓN

28. Presión de entrada de aire : El aire de entrada al compresor debe ser filtrado para prevenir deterioro o daño a las partes móviles. La limpieza de los filtros aseguran mínimas caídas de presión que podrían añadirse al trabajo del compresor. Temperatura de entrada de aire : A menos temperatura del aire de entrada, se requiere menor trabajo de compresión. Por cada incremento de 4°C en la tentrada , la operación del compresor a 7 bar se incrementa en 1%. Donde sea posible, el aire de compresión debe tomarse de una fuente fría.

29. Carga del compresor: Los compresores de aire siempre estarán trabajando a su máxima eficiencia cuando estén a plena carga. Por ejemplo, un compresor operando al 70% de su plena carga puede aún consumir el 85% de electricidad a plena carga, lo que significa un 15% de reducción en la eficiencia.

30. Presión de operación : Una gran presión de salida de aire, significa mayor consumo de energía. Es por estas razones la importancia que los compresores estén operando a una mínima presión. Por ejemplo, una reducción en la presión de envío reduciría el consumo de energía como se muestra a continuación: Donde hay aplicaciones para el aire en menores valores que los anteriores (1 - 1.5 bar aplicados para celdas de flotación), se deben usar sopladores de baja presión.

31. OPERACIÓN EFICIENTE DE COMPRESORES ¿Cual es la forma de operación con velocidad variable para ahorrar energía en un compresor? La Curva típica “head flow ” del compresor es entregada por el fabricante. El punto de diseño en 100% de flujo y presión es el requerimiento del proceso para que una de las unidades sea seleccionada y aplicada a velocidad nominal. La curva “head flow ” se da para una velocidad específica, peso molecular y temperatura . Si alguno de estos cambia, la curva “head flow ” debe ser ajustada.

32. CURVA H vs. Q

33. La “Curva del sistema” es gobernada por factores como la disposición y diseño de tuberías, cambio de altitud, y el coeficiente de fricción. Básicamente, la característica es una función de “ static head” y de la fricción que el gas encuentra mientras este es comprimido y llevado por el sistema. Con un compresor de velocidad constante, el control de flujo es logrado por variación del sistema de fricción. Usualmente esto es realizado por medio de una válvula de estrangulamiento , en el lado de entrada del compresor. La característica del sistema con líneas punteadas muestra como la válvula de estrangulamiento reduce el flujo de retorno en la curva “head flow ” de 100% a 50%.

34. REGULACION DE FLUJO POR ESTRANGULAMIENTO

35. OPERACIÓN CON VARIACION DE VELOCIDAD Otra manera de reducir flujo, es reduciendo la velocidad. Generalmente, un compresor sigue las leyes de un ventilador: Q (flujo o caudal) proporcional a Velocidad (N) H (head) proporcional a Velocidad 2 (N 2 ) P (Potencia) proporcional a Velocidad 3 ( N 3 ) De estas relaciones, pueden ser construidas una familia de curvas “Head Flow ” vs. Velocidad. La siguiente f igura muestra familias de curvas de velocidad. Con una reducción en la velocidad, el flujo es reducido a lo largo de la línea característica del sistema, hasta que el flujo deseado es alcanzado. La energía ahorrada es una medida de la reducción de “head” para encontrar el nuevo flujo.

36. CURVAS H-Q A DIFERENTES VELOCIDADES

37. LINEAS DE DISTRIBUCION DE AIRE La distancia del transporte desde el punto de generación hasta el usuario , determina el incremento de pérdidas. La línea de distribución en el interior de la planta requiere de una planificación, actualización y control de parámetros termodinámicos (presión, temperatura y flujo). Evitar fugas de fluido por perforaciones en las líneas de distribución

38. Utilizar buenas prácticas en la instalación de líneas de distribución en el interior de la planta. Colocar los accesorios necesarios a lo largo de la línea de distribución, a fin de mantener las características físicas y térmicas del fluido transportado ( purgadores, filtros, válvulas de regulación , etc ). Analizar la posibilidad de reducir la presión en la línea de aire comprimido, sin alterar la normal operación de los consumidores .

39. V. RECOMENDACIONES

40. RECOMENDACIONES La mayoría de los equipos neumáticos requieren de lubricación para evitar desgastes anormales durante el funcionamiento. Esto puede hacerse a través del aire comprimido. Los compresores multietapa tienen ventaja sobre los de una sola etapa. Una compresión en dos etapas a 7 kg/cm 2 produce un ahorro de 10 a 15% en energía sobre una sola etapa. Seleccionar el factor de carga del compresor entre el 60 y 80%. El factor de carga es la relación del suministro de aire comprimido real, entre el suministro teórico de diseño.

41. Para un mejor rendimiento del compresor, el aire aspirado debe estar limpio y frío. Cada 4 °C de incremento de la temperatura del aire aspirado, aumenta el consumo de energía en 1% para el mismo caudal. El aire debe aspirarse preferentemente del exterior a un mínimo de 2 m de altura. La tubería de aspiración debe ser recta y corta, libre de suciedad. Por cada 25 mbar de pérdida de carga en la aspiración, se provoca una reducción de 2% en el rendimiento del compresor.