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Aire Comprimido Confiabilidad del suministro y ahorro de energía Un importante requerimiento en la minería es definitivamente el suministro confiable de aire comprimido, entendido como la disponibilidad permanente de aire a la presión adecuada, en la cantidad requerida y con la calidad apropiada. Mauricio Uribe, gerente de Area de Ingersoll- Rand Air Solutions en Chile. El aire comprimido es vital para las operaciones mineras, ya sea como fuente de energía, como medio de transporte de líquidos y sólidos, como insumo para un proceso o como medio de transmisión de señales para instrumentación y control. Muchas de las operaciones críticas de una faena minera están indisolublemente ligadas al suministro adecuado de aire comprimido. Generalmente se tiende a tratar el tema de la confiabilidad del suministro de aire mediante la adición de capacidad de generación -se agregan compresores y equipos de tratamiento-, en la medida en que se haga necesario de acuerdo con el comportamiento observado en la planta. Esto crea la noción de que un sistema confiable es simplemente un sistema sobredimensionado en su capacidad de generación, que cuente con compresores de respaldo. Lo anterior es cierto en parte; un sistema sobredimensionado tendrá eventualmente la capacidad suficiente para cubrir la demanda total del sistema. Sin embargo, disponer de una gran planta de compresores no es suficiente: es preciso también contar con el sistema de regulación y la capacidad de almacenamiento adecuados para que los equipos entren en carga y salgan de carga cuando el consumo del sistema lo requiera, y no ante señales de presión que pueden generarse al interior mismo de la tubería de conducción de aire comprimido, producto de almacenamiento insuficiente o consumos de grandes volúmenes. Otro factor que se debe tener en cuenta para garantizar el suministro de aire es la entrada de los compresores de respaldo. Estos deben ser integrados al sistema de control automático para poder ser puestos en marcha sin la intervención del operario, ante una eventual falla de uno de los compresores principales (esto garantiza que se pondrán en marcha de inmediato cuando se requieran). Es importante tener en cuenta el tiempo que tarda un compresor de respaldo desde el momento en que recibe la señal de partida hasta que entra en condición de carga. El aire acumulado en el sistema debe suplir los requerimientos de consumo durante este lapso, de lo contrario la presión del sistema caerá, con lo cual se afecta la eficiencia del secado y filtración y se pueden ver comprometidos los procesos productivos. Se tiene, pues, un sistema sobredimensionado con capacidad de respaldo, con sistema de regulación automática (con activación inmediata de los equipos de respaldo) y con la capacidad de almacenamiento adecuada, la cual puede ser complementada con la instalación de dispositivos de expansión de aire, los cuales optimizan el volumen de aire acumulado en los estanques. Lo anterior, nuevamente, es un requisito, pero no es suficiente para optimizar la confiabilidad del suministro. Es preciso conocer la aplicación y normar el consumo.

Aire comprimido El aire comprimido se refiere a una tecnología o aplicación técnica que hace uso de aire que ha sido sometido a presión por medio de un compresor. En la mayoría de aplicaciones, el aire no solo se comprime sino que también desaparece la humedad y se filtra. El uso del aire comprimido es muy común en la industria, tiene la ventaja sobre los sistemas hidráulicos de ser más rápido, aunque es menos preciso en el posicionamiento de los mecanismos y no permite fuerzas grandes.

Por lo tanto, se podría considerar el aire comprimido, 1 como una masa de aire que se encuentra sometida a una presión superior a la atmosférica. Esta capacidad del aire para ser comprimido, se explica en las leyes de los gases. Las aplicaciones del aire comprimido son muy diversas. Bien como fuente de energía o como aire acumulado para su uso posterior; el aire comprimido ha sido considerado por algunos autores como la cuarta energía, después de la electricidad, los combustibles fósiles o el viento. El uso del aire comprimido implica también su tratamiento. En pocas aplicaciones se puede usar el aire comprimido directamente de la salida de los compresores. Habitualmente es necesario tratar al menos la eliminación de polvo y contaminantes, así como del agua condensada o en vapor.

Utilización Se utiliza en:        

Elevadores neumáticos. Destornilladores automáticos. Tornos dentales. Armas de aire comprimido Equipos de minería (taladros rotopercutores, martillos picadores, lámparas, ventiladores y muchos otros). Arranque de motores de avión. Coches de aire comprimido y motores de aire comprimido Atracciones, para conseguir grandes velocidades en poco tiempo.

El aire comprimido permite utilizar mucha de la maquinaria pesada

Historia La primera vez que se usó el aire comprimido sería en el soplado de metales para su enfriamiento. El invento del fuellefavoreció la creación de nuevos metales al alcanzarse temperaturas más altas en los hornos. Sería sin embargo a partir del siglo XIX donde empezaría a estudiarse el aire como sistema de transporte en energía.

Compresor[editar] La producción de aire comprimido se realiza mediante el compresor. Existen varias clasificaciones, si los clasificamos por la forma de producción sería: 



Compresores dinámicos: Incorporan elementos giratorios que aportan energía cinética al aire. Aumentando la velocidad se consigue mayor presión estática. Se caracterizan por producir un movimiento del aire continuo. Estos a su vez se dividen en:  Radial  Axial  Radiaxial De desplazamiento positivo: Aumentan la presión al reducir el volumen, a veces con pistones, tornillos o compartimentos plásticos:  Alternativas  Rotativas

Dispositivos y accesorios[editar] El compresor por sí mismo no sirve para hacer funcionar una instalación si no viene acompañado de una serie de dispositivos 





Dispositivos de arranque: Tratan de evitar que el motor en el encendido demande más energía de la que normalmente consume, para ese fin se disponen en los motores eléctricos de un presostato o variadores de frecuencia y en los motores de explosión con el arranque en vacío o el embrague Dispositivos de regulación: Es una válvula antirretorno que deja pasar el aire comprimido del compresor al depósito e impide su retorno cuando el compresor está parado. Dispositivos de refrigeración: Son dispositivos necesarios para la refrigeración del aire de admisión ya que así se reduce el trabajo realizado en la compresión y se condensa el agua de entrada al circuito que nos oxida la maquinaria. Existen diversos tipos de refrigeración:  Por agua  Por aceite  Por aire: Ventilador

Los accesorios necesarios son: 

 

Accesorios de acumulación: El más importante es el calderín, es un depósito destinado a almacenar el aire comprimido, está situado a la salida del compresor. Su finalidad es regular la salida del aire comprimido, condensar el agua, amortiguar la ondas de presión del compresor y suministrar aire comprimido en situaciones de alta demanda. Generalmente se estima su volumen en la producción del compresor en metros cúbicos por minuto. Accesorios de filtro: Es muy importante que los compresores tengan un filtro para que no se introduzcan impurezas en el sistema neumático. Unidad de Mantenimiento: También llamadas F-R-L (Filtro-Regulador-Lubricador) tienen la función de acondicionar el aire comprimido. Sirven para separar impurezas sólidas y líquidas tales como suciedad, agua, aceite, etc. Dicha unidad debe colocarse siempre antepuesta al mando neumático. La primera parte de la unidad de mantenimiento está compuesta por un filtro de aire a presión. Este filtra el condensado, las impurezas o la demasiada cantidad de aceite que puede ser motivo de desgate de piezas móviles y de juntas de los elementos neumáticos. La segunda parte de la unidad de mantenimiento está compuesta por un regulador de presión. Su misión es mantener en un nivel constante la presión de trabajo necesaria en el sistema. La última parte de la unidad de mantenimiento está compuesta por un lubricador, cuya misión es la de lubricar a todos lo componentes de trabajo y de control que lo requieran, mediante aceite pulverizado que es mezclado con el flujo de aire comprimido.

INTRODUCCIÓN El aire es un gas incoloro, insípido e inodoro que resulta de la mezcla principalmente de nitrógeno, oxígeno, argón y vapor de agua. Este gas puede ser utilizado a escala industrial debido a su facilidad disponibilidad y seguridad en el manejo de las herramientas neumáticas La manera más expedita de utilizar el aire en aplicaciones industriales es mediante la compresión a niveles de presión superiores a la atmosférica, la cual le permite agregar energía e incrementar su disponibilidad para la producción de trabajo. Su uso se ha extendido a un sin número de aplicaciones, entre las que se pueden mencionar el manejo de herramientas neumáticas (Ver figura a), el transporte de materiales, el control e instrumentación de equipos y procesos (Ver figuras b y c), la alimentación de procesos de combustión, la presurización de alimentos, la limpieza de tuberías, entre otros. Los principales componentes del aire son el nitrógeno (78%), oxígeno (20%) y argón (0,9%). Igualmente pueden encontrarse otros componentes como dióxido de carbono, neón, helio, xenón y vapor de agua (Ver figura d). A pesar de la baja proporción del vapor de agua, éste es el que más puede influir en las condiciones y propiedades de esta sustancia. Los gases ofrecen un comportamiento gobernado por la ley de gases ideales, Pυ = RT, en la medida que la temperatura sea razonablemente alta (temperaturas superiores a 2 veces la temperatura critica expresada en grados kelvin) y la presión se encuentre en valores relativamente bajos (presiones inferiores a 0.1 veces presión crítica, ver sección 1.3.2.8). Una vez estas variables presentan cambios significativos, la aplicación de dicha ley conlleva a desviaciones notables en la estimación de elementos propios del sistema de aire comprimido, como son el volumen del cilindro y el tamaño del impulsor. Para conservar una relación PυT similar a la de la ley de los gases ideales, es necesario incluir un factor de corrección, llamado de compresibilidad (Ver figura e). La expresión para Z, el factor de compresibilidad, permite establecer que éste es una medición de la desviación de un gas real con respecto al comportamiento de un gas ideal. Para estimar este factor, se cuenta con tablas y gráficas en función de la temperatura y la entropía. El valor de presión en el aire comprimido, es un indicador de la energía potencial disponible en este. La variable presión es determinada mediante la instalación de manómetros (Ver figura f) en puntos estratégicos del sistema (tanque pulmón, salida de compresor, línea de distribución, admisión dispositivos neumáticos). La presión suele medirse en psi (pound per square inches), pulgadas cuadradas de presión o en el sistema internacional de unidades en Pascales (Pa). Igualmente la presión debe ser controlada, a través de reguladores de presión, que permiten adecuar el valor de la misma a los apropiados para equipos y herramientas conectadas en el sistema. El valor de caudal en los compresores es un indicativo del volumen de aire que estos pueden desplazar. Suele medirse en m3/s o en cfm (cubic feet per minute), pies cúbicos por minutos. Esta medida no permite describir la eficiencia real de la máquina y es necesario referirla a condiciones específicas. Para determinar la capacidad del compresor, puede emplearse un medidor de flujo (e.g. rotámetro (Ver figura g)) instalado en la línea de distribución o midiendo el tiempo que se demore en llenar el tanque pulmón hasta determinada presión. La medición de caudal bajo condiciones reales suele referirse a m3/s (metros cúbicos reales por segundo) o cfm (pies cúbicos reales por minuto), indicando la entrega actual del equipo en las condiciones del sitio donde está instalado, es decir tendiendo en cuenta la altura, temperatura y humedad del lugar, además de los dispositivos que puedan condicionar el volumen desplazado (filtros y válvulas de descarga, entre otros).

Cuando el valor de caudal es expresado en metros cúbicos estándar (Sm3/s) o pies cúbicos por minuto estándar (scfm), las condiciones de funcionamiento del compresor son las definidas como estándar, presión 101,300 kPa (14,7 psi), temperatura 15 °C y humedad relativa de 0%. Igualmente pueden emplearse Nm3/s (metros cúbicos normales por segundo) o Ncfm (pies cúbicos por minuto normales). La principal diferencia entre condiciones normales y condiciones estándar es que la temperatura y humedad relativa de la última son 0 °C y 36%, respectivamente. Los compresores reportan generalmente valores de caudal en términos estándar (scfm o Sm3/s). Para determinar si el compresor cumplirá con la demanda requerida bajo las condiciones específicas del lugar donde se va instalar, es recomendable convertir el valor de caudal, de condiciones estándar a condiciones actuales como se indica en la figura h. La humedad está asociada a la presencia de vapor de agua en el aire. Suele expresarse en términos de humedad relativa. La existencia de agua en el aire comprimido, puede causar el daño prematuro de equipos y dispositivos, por tal razón se instala un sistema de condensación y secado para eliminarla. CLASIFICACIÓN COMPRESORES Se distinguen dos tipos básicos de compresores: de desplazamiento positivo y dinámico. Según sea el tipo de elemento compresor, los compresores de desplazamiento positivo se clasifican en compresores rotativos (paletas, tornillo, lóbulos) y alternativos (pistón o diafragma). Mientras que en la clase de compresores dinámicos, se destacan los de tipo radial y los de tipo axial. DESPLAZAMIENTO POSITIVO El incremento de presión de un determinado volumen de aire mediante compresores de desplazamiento positivo, se produce mediante la reducción del volumen inicial de aire confinado en el compresor. Se conforman generalmente por un elemento compresor (pistón o rotor) y otro receptor (cilindro o carcasa) donde es dispuesto el aire a comprimir, 7.2.1.1 ROTATIVOS

Los compresores rotativos producen aire comprimido mediante el empuje continuo del mismo desde la aspiración hasta la descarga del compresor, a través de un sistema rotatorio. Se destacan en esta clase de compresores rotatorios los de tornillo, los de lóbulos y los de paletas (Ver figura a). Tornillo. La rotación permanente de tornillos helicoidales, permite la compresión del aire que se desplaza en sentido axial, hasta la presión de trabajo requerida en este tipo de compresores (Ver figura b). Se distinguen por presentar disponibilidades tan elevados como las de compresores axiales y compresores centrífugos (99.5 %), menor costo y tamaño que compresores alternativos de capacidad similar y por presentar presiones mayores que otras máquinas rotatorias de desplazamiento positivo. Las principales desventajas de estos compresores son el elevado costo de mantenimiento en comparación con los compresores centrífugos y la reducción en el desempeño debido a variaciones en las tolerancias de los tornillos debido a efectos corrosivos de los gases o incrementos elevados en temperatura durante la compresión.

Paletas. Los compresores de paletas están conformados por un rotor excéntrico que gira en el interior de una cámara cilíndrica (Ver figura c). El rotor está provisto por un determinado número de paletas que pueden deslizarse en dirección radial dentro de unas ranuras dispuestas en el mismo cilindro, dando lugar a un conjunto de células de compresión. La fuerza centrífuga generada por la rotación del rotor, desplaza las paletas contra las paredes de la cámara y debido a la excentricidad del eje rotor, el volumen de las células varía constantemente. Las ventajas de este tipo de compresores residen en sus dimensiones reducidas, funcionamiento silencioso y caudal prácticamente uniforme.

Lóbulos. En este tipo de compresores de lóbulos el aire es transportado constantemente desde la admisión a la descarga, gracias a la rotación constante dos lóbulos (Ver figura d). La compresión no es debida al cambio de volumen del aire inicial, sino que ésta se logra mediante el aumento del número de moléculas de aire presente en un volumen fijo (tanque pulmón). En general, la presión generada es muy baja, limitando el uso de estos equipos a aplicaciones de baja presión. ddddddddddddddddddddddddddddddddddddddddddddddddddddddddddddddddddddddddddd dddd 7.2.1.2 ALTERNATIVOS En los compresores alternativos el volumen inicial es reducido mediante el movimiento oscilante de un elemento (pistón o diafragma) que comprime y desplaza el gas dentro de una carcasa o cilindro, elevando la presión del fluido hasta la deseada. En esta clase de máquinas de desplazamiento positivo, se encuentran los compresores de pistón y los de diafragma (Ver figura a).



Pistón

.

La compresión del aire es realizada por uno o varios pistones que actúan dentro de una camisa o cilindro. El movimiento de los pistones es dirigido por un mecanismo excéntrico dando lugar al movimiento alternativo del pistón en el interior del cilindro. (Ver figura b) En los compresores de pistón de simple efecto el gas únicamente es comprimido en la carrera ascendente del pistón, debido a esto son los más simples y conocidos en el mercado. El aire luego de incrementar su presión, es llevado al tanque de almacenamiento y luego a la herramienta o sistema de control que lo requiera. Los compresores de simple efecto se caracterizan por su baja capacidad, ser compactos y menos costosos, enfriados por aire y adecuados para situaciones de uso no frecuente del aire comprimido o cuando el compresor debe ir instalado en el sitio de trabajo. (Ver figura c) Por su parte, en los compresores de pistón de doble efecto el gas es comprimido tanto en la carrera ascendente como en la carrera descendente del pistón. Este tipo de operación, permite en algunos casos, usar cada pistón como un compresor de múltiples etapas. Debido a este principio de operación, estos compresores poseen dos juegos de

válvulas de admisión y descarga por cilindro. Los compresores de doble efecto se caracterizan por suministrar el doble de aire que un compresor de simple efecto, bajo iguales condiciones de velocidad y volumen. Además, son adecuados para aplicaciones de gran capacidad, trabajo continuo y servicio pesado. (Ver figura d)



Diafragma. En este tipo de compresores la cámara de compresión es separada del pistón, por medio de discos metálicos delgados y flexibles llamados diafragmas, evitando la presencia de aceite en la descarga del compresor. Al igual que en los compresores de pistón, éste último es sometido a un movimiento alternado transmitido por un mecanismo excéntrico. El movimiento oscilante del pistón es transmitido al diafragma por medio de un fluido hidráulico. Esta acción somete a la membrana a movimientos cortos e intermitente, conduciendo a los procesos de aspiración y compresión. Por lo general se encuentran en modelos de una y dos etapas. (Ver figuras e y f)

7.2.2 DINÁMICOS Los compresores dinámicos son máquinas de flujo continuo, que permiten incrementar la presión del fluido de trabajo mediante la transformación de la energía cinética (velocidad) en potencial (presión). El fluido de trabajo que se encuentra a baja presión, entra en un conjunto de álabes móviles del compresor y sale a una gran velocidad como resultado del trabajo transmitido por el eje. El fluido pasa a un difusor configurado de tal forma que la velocidad disminuye y la presión se incrementa

7.2.2.1 RADIAL Los compresores dinámicos de tipo radial, están conformados por tres partes principales: rodete, difusor y múltiple de distribución. El aire es admitido cerca al eje del compresor, en dirección axial, para ser impulsado en forma radial por la fuerza centrífuga producida por el movimiento del rodete. El aire que sale en dirección radial y a gran velocidad del rodete, pasa al difusor donde la energía cinética del aire se transforma en energía potencial en forma de presión. Los incrementos de presión ocurren progresivamente en las diferentes etapas de compresión (conjuntos de álabes móviles y estáticos) dispuestas a lo largo del estator y el rotor. Los compresores del tipo radial o centrífugo, tienen relativamente pocos problemas de trabajo y presentan valores de disponibilidad altos. 7.2.2.2 AXIAL En los compresores axiales, el fluido de trabajo es transportado en la dirección del eje durante todas las etapas de compresión, mediante un conjunto de álabes móviles (rotor) y una serie de de álabes fijos (estator), dando lugar a la compresión multietapa. El contacto del gas de trabajo

con los álabes móviles incrementa la energía cinética, que es luego transformada en potencial (presión) en los álabes fijos que actúan como difusores. Los compresores de tipo axial pueden manejar grandes volúmenes de caudal, en carcasas relativamente pequeñas y consumos de potencia racionales.

7.3 COMPONENTES BÁSICOS Los componentes básicos del sistema de aire comprimido se relacionan con el compresor, que actúa como elemento receptor – transformador, otorgando las condiciones necesarias al aire comprimido (presión y caudal) mediante la transformación en energía potencial de la energía cinética de que es suministrado; con el sistema de distribución (tuberías, líneas o conductos de distribución), que están a cargo del transporte del aire comprimido al tanque de almacenamiento y a los puntos de aplicación; y con los actuadores y herramientas neumáticas, que determinan el consumo del sistema

7.3.1 FUENTE La fuente principal de estos sistemas es el aire, que es tomado a presión atmosférica y luego de pasar por la unidad de compresión, alcanza la presión de trabajo requerida, para luego ser distribuido por los diferentes puntos de trabajo que componen al sistema de aire comprimido.

7.3.2 RECEPTOR - TRANSFORMADOR Los compresores son unidades que permiten incrementar la presión de un gas, vapor o una mezcla de gases y vapores. La presión del fluido se eleva reduciendo el volumen del mismo durante su paso a través del compresor (desplazamiento positivo) (Ver figura a) o cambiando la velocidad del aire por presión (dinámicos) (Ver figuras b y c).

7.3.2.1 COMPRESOR Los compresores son unidades que permiten incrementar la presión de un gas, vapor o una mezcla de gases y vapores. La presión del fluido se eleva reduciendo el volumen del mismo durante su paso a través del compresor o cambiando la velocidad del aire por presión. Dependiendo de los requerimientos de presión de trabajo, caudal de suministro, y calidad del aire, se pueden emplear diversos tipos de compresores

según su principio de funcionamiento y configuración. Las partes de un compresor alternativo de dos etapas son: elementos del interenfriador, filtro de la succión, pistón, aletas, cilindro de la primera etapa, biela, manivela y cigüeñal, cárter, cilindro de la segunda etapa, medidor de nivel de aceite y filtro respectivo (Ver figura).

7.3.3 DISTRIBUCIÓN En el proceso de distribución están involucrados elementos y sistemas destinados tanto al transporte como al acondicionamiento del aire. Entre otros están las líneas o tuberías de distribución, el tanque acumulador, los filtros de aire, separadores y filtros de partículas y el sistema de condensación y secado

7.3.3.1 TUBERÍAS O LÍNEAS DE DISTRIBUCIÓN El aire es transportado desde el compresor hasta los sistemas de consumo por medio de una línea o tubería principal. El dimensionamiento de estas tuberías se hace mediante criterio termo-económicos, por lo tanto el diámetro es lo suficientemente grande para evitar grandes caídas grandes de presión y lo suficientemente pequeño para mantener bajos costos de inversión. De esta línea principal se derivan tuberías secundarias y de servicio, que están en contacto directo con los equipos neumáticos. Estas redes pueden instalarse en configuraciones abiertas o en ciclos cerrados. La configuración en línea abierta (Ver figura a) se utiliza cuando las tuberías no presentan longitudes muy extensas. De las ventajas principales de este tipo de configuración, se relacionan con el menor costo de instalación y la flexibilidad para futuras expansiones. Como desventaja de estas configuraciones, se tiene en el hechote presentarse altos valores de caída presión bajos en los extremos finales. Las líneas cerradas (Ver figura b) se emplean cuando se espera tener tramos de tubería de longitud extensos. Su implementación, trae como ventajas la posibilidad de distribuir uniformemente el aire, con menor caída de presión

que

la

configuración

en

ciclo

abierto.

Con el fin de asegurar la calidad del aire suministrado y evitar el deterioro de equipos y sistemas accionados, la red de distribución debe garantizar poca caída de presión entre el compresor y los puntos de consumo, valores mínimos de fugas y un alto grado de separación de condensados en todo el sistema. Esto se logra teniendo en cuenta los siguientes aspectos:



Evitar empotrar las tuberías durante la instalación.



Instalar la tubería principal con una caída del 2%, para permitir la eliminación de condensados; realizar las derivaciones siempre hacia arriba.



Prolongar las tuberías secundarias después de la toma de la máquina para recoger el agua condesada.

Las tuberías deben poderse desarmar fácilmente y ser resistentes a la corrosión. Pueden emplearse materiales como cobre, acero galvanizado o plástico. Debe prestarse atención a las uniones, especialmente en las tuberías de acero, ya que son puntos claves para la aparición de oxidación. 7.3.3.2 TANQUES ACUMULADORES El tanque acumulador o tanque pulmón es indispensable para la operación de compresores alternativos y en algunas situaciones, resulta conveniente para los demás tipos de compresores. Este elemento permite eliminar las pulsaciones en el flujo debido al ciclo de compresión, proporciona capacidad de almacenamiento, permite eliminar la humedad del aire (actúa como sistema refrigerador) y evita ciclos cortos de carga y descarga en el compresor. El depósito debe diseñarse y dimensionarse de acuerdo con las normas de recipientes a presión y debe incluir una válvula de seguridad, un manómetro y una válvula de drenaje. Sus dimensiones se establecen según la capacidad del compresor, el sistema de regulación, la presión de trabajo y las variaciones estimadas en el consumo de aire. Es importante realizar las purgas de condensado regularmente para evitar arrastre del mismo a la red de distribución y disminuir la carga térmica de los secadores (cuando estos están después del tanque pulmón). 7.3.3.3 FILTRO DE AIRE Los filtros de aire en la admisión del compresor se usan para limitar la entrada de contaminantes sólidos al sistema y extraer en determinado porcentaje vapor de agua presente en el aire, causantes de erosión y corrosión de los componentes principales del compresor. Aunque todo el

polvo y la humedad no son eliminados en esta etapa de filtrado, es un buen comienzo para la conservación de los equipos instalados luego de la unidad de compresión. 7.3.3.4 UNIDAD LUBRICACIÓN

DE

FILTRADO,

REGULACIÓN

Y

A pesar de que el aire suministrado por el compresor haya sido filtrado inicialmente por el filtro de aire a la entrada, presenta aún trazas de humedad, polvo y aceite. Con la finalidad de suministrar aire limpio, puro y sin contaminación, es necesario aplicar otra etapa de filtrado, preferiblemente a la entrada del consumo de cada uno de los actuadores y herramientas. Además, es un hecho que la presión del aire no permanece de manera constante durante largos periodos de tiempo y por lo tanto es necesario regularla para asegurar el rendimiento y exactitud del sistema. Esta regulación se realiza mediante la aplicación de una válvula o unidad reguladora de presión, que permite mantener la presión constante. Igualmente, la lubricación de actuadores y herramientas neumáticas (siempre y cuando la aplicación lo requiera y según recomendaciones del fabricante) es necesaria para asegurar el desempeño de las mismas y puede llevarse a cabo mediante la implementación de la unidad de lubricación. Esta última proporciona al aire una película lubricante de aceite, que es transportada a las aplicaciones posteriores a dicha unidad. La unión de las tres unidades mencionadas (Ver figura) anteriormente (Filtro de aire, Regulador de presión y Lubricación), reciben el nombre de unidad de mantenimiento, unidad de servicio o unidad F.R.L. El uso correcto y el mantenimiento adecuado de esta unidad, aseguran la durabilidad y precisión de los elementos instalados a lo largo de la red de aire comprimido. 7.3.3.5 SEPARADOR DE ACEITE El aire comprimido arrastra parte del aceite del compresor cuando este debe ser lubricado. Este aceite puede ser retirado y luego recirculado hacia el sistema de lubricación del compresor. Esta tarea es llevada a cabo por elementos conocidos como separadores de aceite, que son dispuestos a la descarga del compresor. Igualmente, los condensados contienen hasta 5% de aceite, situación que debe ser corregida con el fin de evitar su descarga al ambiente. Los separadores de aceite y agua permiten limpiar mezclas agua-aceite con contenido de aceite residual tan bajo como 5 ppm, permitiendo que el agua procesada se pueda descargar. 7.3.3.6 SISTEMA DE CONDENSACIÓN Y SECADO La humedad presente en el aire comprimido puede ser retirada por diferentes elementos de deshidratación. Estos

sistemas se clasificación según su método en mecánicos y químicos (Ver figura a). En los primeros se usan dispositivos que mecánicamente disminuyen la temperatura o presión del aire, como equipos de refrigeración, intercambiadores de calor, o mecanismos de reducción de presión. Por otro lado, los métodos químicos, utilizan productos higroscópicos para secar el aire comprimido que pasa a través de estos.



Intercambiadores de calor refrigerados por aire. Este tipo de dispositivos permiten retirar la humedad presente en el aire comprimido, mediante la reducción de la temperatura de este, a través de la implementación de intercambiadores refrigerados por aire. Junto a los sistemas con intercambiadores de calor refrigerados por agua son los más simples y utilizados del mercado. (Ver figura b)



Intercambiadores de calor refrigerados por agua. Este tipo de dispositivos permiten retirar la humedad presente en el aire comprimido, mediante la reducción de la temperatura de este. (Ver figura c)



Secadores

refrigerados.

En un secador refrigerado, el aire saturado caliente proveniente del compresor es refrigerado inicialmente mediante la interacción con el aire que ya ha sido refrigerado, mediante la implementación de un intercambiador de calor aire-aire. Esta primera etapa permite reducir la carga térmica del sistema de refrigeración y además eleva la temperatura del aire seco comprimido, previniendo la condensación en el exterior durante la distribución. El aire aún saturado, continúa el proceso de secado al entrar a un intercambiador de calor aire-refrigerante, donde es disminuida la temperatura hasta el punto de rocío. El agua condensada es retirada en un separador de múltiples etapas y el condensado es drenado por una válvula automática. El proceso termina cuado el aire libre de humedad, es utilizado para preenfriar el aire comprimido saturado a la entrada del sistema de refrigeración. (Ver figura d)



Secadores

químicos.

Los secadores químicos utilizan materiales adsorbentes (alúmina activada, sílica, etc.) para reducir el punto de rocío y eliminar la humedad presente en el aire comprimido. En la medida que una de las torres está secando el aire comprimido, el desecante es dispuesto en un proceso de regeneración donde es eliminada la humedad retirada mediante aire caliente. Este proceso se repite continuamente con el fin de mantener una eficiencia constante en el proceso de secado. Es un procedimiento económico y confiable respecto a otros sistemas de secado, dado que no se requiere de elementos de refrigeración para eliminar el exceso de calor presente en el aire comprimido.

7.4 RENDIMIENTO Y EFICIENCIA Para el análisis del sistema de aire comprimido, se realizan mediciones de las variables más relevantes de los compresores a condiciones normales de operación. Para determinar el consumo de potencia eléctrica y capacidad volumétrica teniendo se debe tener presente el estado del aire a la entrada (presión atmosférica, temperatura y humedad relativa) y a la descarga del sistema de compresión (presión, temperatura y flujo volumétrico entregado). El conocimiento de estos valores, permite establecer el estado real del sistema de aire comprimido y conocer el rendimiento y eficiencia bajo los que opera el sistema.



Capacidad.

La capacidad del compresor se refiere al volumen de aire que entrega el compresor durante determinado tiempo (caudal) y se expresa a las condiciones estándar de presión, temperatura y humedad relativa de 101,353 kPa (14,7 psi), 15 °C y 0%, respectivamente. Se usan valores de capacidad nominal y real en m3/s (cfm), para analizar el comportamiento del sistema de compresión. La capacidad nominal esta relacionada con el valor de diseño para el volumen de aire por unidad de tiempo que puede desplazar un compresor. Este valor es reportado a condiciones estándar en Sm3/s o scfm. Se usa como referente para determinar el estado real de trabajo del compresor. El valor de capacidad real del compresor, está determinado por las condiciones de presión, temperatura y humedad a la entrada del compresor. Para medir este valor, es necesario aplicar el siguiente procedimiento:



Verificar que los consumidores sean alimentados por otro compresor o que no estén operando

durante el tiempo inconvenientes.

de

medición

para

evitar



Aislar el flujo de aire que sale del compresor hacia el tanque de almacenamiento o tanque pulmón.



Cerrar la válvula de entrada de aire al tanque y disminuir la presión en el mismo de manera que sea menor que la presión de operación del sistema.



Cerrar la válvula de salida del tanque y poner en funcionamiento el compresor, para luego abrir la entrada de aire al tanque. Desde este momento se empieza a registrar la presión y el tiempo que demora en alcanzar la presión de operación, adicionalmente se utilizan analizadores de redes, para registrar medidas de corriente y factor de potencia, para calcular y reportar la potencia eléctrica demandada.



Los datos de tiempo que toma el llenado, diferencia de presión elevada, volumen del tanque mas el de la tubería asociada y la temperatura del aire (se asume temperatura constante en el proceso de llenado, es decir, compresión isotérmica) se usan para calcular el flujo volumétrico entregado por el compresor.

El valor de flujo volumétrico o capacidad obtenido mediante el anterior proceso, se puede expresar en condiciones actuales, es decir, el flujo volumétrico a las condiciones de presión, temperatura y humedad relativa del sitio o puede presentarse en condiciones estándar (Ver figura a).



Factor de carga.

El factor de carga es la relación entre el valor real y valor teórico de diseño, operando el compresor a plena carga durante un mismo período de tiempo. En esta relación, se asocian variables que permiten indicar la disponibilidad del sistema de compresión. Existen dos factores de carga, uno de ellos relacionado con la capacidad de aire desplazado y el otro con la demanda de potencia eléctrica. Es deseable

que estos valores estén en el rango de 50 a 80 %, con el fin de reducir los períodos de mantenimiento, permitir suministro uniforme durante los períodos de demanda pico e incrementar la demanda del sistema sin necesidad de aumentar inmediatamente el tamaño de la instalación.



Eficiencia.

La eficiencia de un compresor es la relación que existe entre la potencia teórica para la que ha sido diseñado el dispositivo, respecto a su valor real. Actualmente los compresores son comparados respecto al ciclo isentrópico, ya que este representa de manera más adecuada el comportamiento real de estos equipos (Ver figura b).



Rendimiento.

El rendimiento hace referencia al cociente entre la energía obtenida de su funcionamiento en términos de la capacidad del compresor y la energía suministrada o consumida por el sistema. En el caso específico del sistema de aire comprimido, es posible evaluar el rendimiento tanto nominal como real, con el fin de analizar y comprender el comportamiento del sistema. El rendimiento de un sistema de aire comprimido suele expresarse en unidades de kW/m3/s, kW/scfm. El rendimiento nominal se evalúa a partir del conocimiento de los valores nominales de capacidad y potencia requerida. Por su parte, para estimar el rendimiento real se emplean los valores reales de potencia y capacidad. La comparación de ambos resultados permite evaluar el estado actual del compresor con relación a las condiciones de diseño, permitiendo la coordinación oportuna de los ciclos de mantenimiento. El rendimiento está en función del tipo de compresor y el estado y nivel de uso del mismo (Ver figura c). En el caso de los compresores de tornillo el rendimiento no varía considerablemente, mientras que para los compresores alternativos de pistón este valor depende del tamaño. En la tabla se presenta el rendimiento típico, expresado como Consumo Específico (C.E.), para compresores alternativos de pistón, de tornillo y centrífugos. 7.5 APLICACIONES La gran versatilidad del aire comprimido permite que éste sea utilizado en diferentes funciones industriales. Es posible encontrar aplicaciones de aire comprimido en industrias químicas, agrícolas, cementeras, siderúrgicas, mineras, refinerías, textiles, entre otras. En el área agrícola se utiliza el aire comprimido para el transporte neumático de granos y equipos de fumigación. Para la producción de cemento se utiliza en las etapas de

agitación y mezclado, en el transporte de cemento, la limpieza y embalaje de sacos y aire de combustión. En la industria química el aire comprimido es fundamental para aireación y agitación en reactores, filtrado de sustancias y sistemas criogénicos. La generación de energía mediante termoeléctricas, requiere de etapas de limpieza y control, que pueden lograrse mediante la implementación de sistemas de aire comprimido. Igualmente el aire comprimido puede ser utilizado durante la obtención de vidrio y sus derivados, durante los procesos de soplado de botellas, transporte y alimentación de vidrio y operación de moldes y prensas. En la siderurgia y la metalurgia, el aire comprimido se usa como fuente de aire para hornos y convertidores, la operación de prensas y estampadores y la carga y movimiento de materiales. Las explotaciones mineras emplean el aire comprimido en taladros, equipos de filtrado fino y para la extracción de agua. Vaciado y limpieza de tuberías y equipos, recirculación de catalizadores, extracción de piezas moldeadas, son entre otras tareas que pueden desempeñarse en refinerías y producción de plásticos mediante el uso del aire comprimido. Para la producción de telas y textiles, se usa el aire comprimido para la agitación de líquidos y la humectación de los productos durante las diferentes etapas del proceso de producción. 7.6.2 TEMPERATURA DE ADMISIÓN Y PRESIÓN DE DESCARGA La demanda prolongada de presión y caudal superiores a los de trabajo en determinados equipos, indican la posibilidad de instalar un compresor extra. Adicionalmente, es fundamental garantizar la calidad del aire acorde con el trabajo que se este desarrollando, puesto que a mayor calidad mayor será el consumo energético. Igualmente, es importante prestar atención al control de los compresores y comprobar que estos se detienen y arrancan sólo cuando se presenta demanda de aire comprimido. El control de la temperatura de admisión en el sistema de aire comprimido es indispensable para mantener niveles de eficiencia elevados, puesto que un incremento en temperatura, implica una reducción de la densidad y por lo tanto a la reducción de capacidad del flujo másico y la presión del sistema. Debe procurarse la admisión de aire del exterior con la temperatura más baja posible durante la operación de los compresores, ya que por cada 4 °C de incremento en temperatura del aire aspirado se aumenta el consumo de energía en 1 % para el mismo caudal, mientras que por cada 3 °C de disminución en la temperatura del aire aspirado se presenta 1 % más de aire comprimido para el mismo consumo de energía.

7.6.4 RECUPERACIÓN DE ENERGÍA EN SISTEMAS DE AIRE COMPRIMIDOS La compresión de aire conlleva al incremento de temperatura tanto del fluido de trabajo como del sistema de compresión. Esta situación exige la eliminación de calor que permita la operación eficiente y bajo los límites de diseño de los equipos. Aproximadamente el 94% de la energía utilizada por el compresor se convierte en calor, que puede ser recuperado mediante la implementación de un sistemas de refrigeración bien sea alimentado por agua o por aire. Los compresores refrigerados por agua permiten recuperar hasta el 90% de la energía de entrada. Esta recuperación se da en forma de agua calienta a temperatura de 70 a 80 °C, para se empleada en la alimentación de calderas y dispositivos de calefacción. Adicionalmente, es posible recuperar calor del sistema de lubricación del compresor, al instalar un intercambiador de calor que permita poner en contacto el aceite caliente con agua fría, mejorando el desempeño de este sistema. El aire utilizado en la refrigeración de compresores, alcanza temperaturas en el rango de 50 a 60 °C. Este aire caliente puede ser empleado para sistemas de calefacción y acondicionamiento ambiental. Es posible lograr eficiencias de recuperación del orden de 80 a 90 %. 7.6.6 MANTENIMIENTO COMPRIMIDO

SISTEMA

DE

AIRE

Al igual que cualquier equipo industrial, los sistemas de aire comprimido requieren procedimientos de mantenimiento periódicos, que permitan operar estos sistemas a su máxima eficiencia, minimizando a su vez los periodos fuera de servicio. Bajas eficiencias de compresión, fugas de aire y variaciones de presión en el sistema, son debidas a mantenimientos inadecuados del sistema de aire comprimido. Esto también puede conllevar a elevadas temperaturas de operación, control inadecuado de humedad y excesiva contaminación de equipos y herramientas. El programa de mantenimiento del sistema de aire comprimido, conlleva a la implementación de rutinas de ajuste de correas de transmisión, limpieza, reemplazo de elementos, filtros y fluidos de lubricación, al igual que la eliminación de condiciones adversas. Adicionalmente, es indispensable la identificación y reparación de fugas, y la inspección del sistema de refrigeración y condensado. Todo este tipo de operaciones pueden ser programadas en etapas, que comprendan la implementación de cada una de ellas, acorde a los requerimientos y condiciones

sugeridas por los fabricantes y el tipo de compresores empleados (Ver figuras a y b). USO INADECUADO DE AIRE COMPRIMIDO Los principales usos inadecuados del aire comprimido son: soplado, inyección de aire, aspirado, atomización, obtención de vacío, refrigeración personal, soplado con pistolas de mano, cabinas de refrigeración, tubos Venturi para vacío, entre otras. Este tipo de aplicaciones pueden ser desarrolladas a partir de métodos y herramientas potencialmente más económicas que el aire comprimido. Dentro del rango de posibilidades se destacan los ventiladores y sopladores de baja presión, las bombas de vacío, pistolas de soplado adecuadas y sistemas de refrigeración aire-aire, aireagua. Adicionalmente, la aplicación de equipos deteriorados, con niveles bajos de eficiencia y sin dispositivos de control y regulación de presión y caudales adecuados, conllevan a incrementos notables en costos de operación y mantenimiento y a la reducción de los ciclos de vida útil. Referencias Bibliográficas 1. Bloch, H. P. (1998). Guía práctica para la Tecnología de los Compresores (Traducido por F. Jones). México: McGraw-Hill. (Original publicado en 1998.) 2. Majumdar, S. R. (1998). Sistemas Neumáticos: Principios y Mantenimiento (Traducido por J. H. Pérez). México: McGraw - Hill. (Original publicado en 1998.) 3. U.S. Department of Energy, Energy Efficiency and Renewable Energy (2003). Improving Compressed Air System Performance. Washington: DOE. 4. ANDI, Empresas Públicas de Medellín, Universidad Pontificia Bolivariana (1998). Guías para el uso de racional de energía por procesos en la industria. Medellín: Universidad Pontificia Bolivariana. 5. Colciencias, Empresas Públicas de Medellín, Universidad Pontificia Bolivariana (2001). Gestión energética: Herramientas para el

control de variables por proceso. Medellín: Universidad Pontificia Bolivariana.