German Luna
Por: Francisco González González (Ingeniero de aplicaciones – KAESER México)
El almacenamiento adecuado del aire comprimido es quizá uno de los puntos menos contemplados y cuidados a la hora de dimensionar las estaciones de aire comprimido. Desafortunadamente, el almacenamiento es visto como una parte fija denominada “tanque acumulador” que no requiere o produce energía mecánica o eléctrica, por lo que su propósito básico ha sido reducido a almacenar un volumen de aire comprimido para ser utilizado cuando este sea necesario.
Sin embargo, un tanque de almacenamiento apropiado, puede ayudar a mejorar varios aspectos en la estación, tales como:
- Rendimiento energético de la estación de compresores, reduciendo los arranques innecesarios de otros equipos, así como el número de ciclos carga-descarga del compresor.
- Calidad del aire comprimido, eliminando parte del condensado contenido en el aire, reduciendo carga al secador.
- Reducción de las fluctuaciones de presión en el sistema.
- Cubrir picos de demanda repentinos por periodos de tiempo reducido, (este rubro, representa el 1% de las aplicaciones de los tanques).
No obstante el contenido de este artículo se enfoca a maximizar y garantizar el tiempo estimado de servicio de las unidades de compresión mediante el tamaño adecuado del tanque de almacenamiento.
Mantener el almacenamiento adecuado para cubrir las fluctuaciones de la demanda aplica para todos los compresores, independientemente de su tipo de control, ya que todos los compresores requieren de un tiempo para reaccionar a los cambios de demanda, esto incluye compresores con tipo de control frecuencia variable, modulación, dual o carga-descarga.
Los compresores, como los son con tipo de control dual, para su correcta operación dependen de la cantidad de almacenamiento mínima para limitar la frecuencia máxima de sus ciclos carga – descarga. Es por ello que asegurando el almacenamiento mínimo requerido se reducirá significativamente el número de ciclos hechos por estos compresores para satisfacer la demanda y presión.
Reducir estos ciclos impacta en el número de activaciones de los componentes de control del compresor, causando menor desgaste en válvulas, empaques, así como en la reducción de cargas axiales ejercidas en los cojinetes de los rotores de las unidades de compresión.
El tiempo de servicio de las unidades de compresión está vinculado directamente al ciclo de servicio de los cojinetes, ciclo de servicio establecido por los fabricantes en base a las magnitudes y direcciones de las cargas, esfuerzos y fatiga, velocidades de giro y temperatura de operación del rodamiento.
Tomando en consideración este ciclo de servicio de los rodamientos, KAESER garantiza sus unidades de compresión con un tiempo de servicio mínimo de 72,000 horas de operación, cumpliendo con las indicaciones del manual de servicio, temperaturas de operación promedio de los equipos entre 75 a 90°C y con un máximo de ciclos de carga – descarga de sus compresores listados a continuación.
Parámetros de operación:
Ciclos carga-descarga en compresores de hasta 25 hp de potencia nominal: 72 ciclos / hora
Ciclos carga-descarga en compresores de hasta 100 hp de potencia nominal: 36 ciclos / hora
Ciclos carga-descarga en compresores de hasta 450 hp de potencia nominal: 18 ciclos / hora
Para cumplir con estos ciclos de carga-descarga, es necesario seleccionar el tanque de almacenamiento correcto, cuya capacidad se puede calcular de acuerdo a la siguiente fórmula.
Donde:
VR = Volumen real del tanque en [m3 ]
V1 = Flujo de aire del compresor [m3 /h]
V2 = Demanda de aire de la planta [m3 /h]
Z= Número de ciclos carga – descarga permitidos por hora del compresor.
Dp = Diferencial de presión del compresor [ bar ]
DF = V2 / V1 = factor de carga
Para el caso donde se desconoce la demanda de aire de la planta (V2), el valor de factor de carga (DF) de 0.5 representa el caso crítico, lo que representa que la demanda de la planta es del 50% de la capacidad del compresor. Sin embargo, en base a la experiencia y como un valor empírico, el valor de factor de carga (DF) se puede considerar de 0.5 para equipos de 3 – 25 hp, 0.79 para equipos de 30 100 hp, y 0.885 para equipos de 125 – 450 hp.
Por otro lado, el control del compresor no es capaz de ajustar por si solo los ciclos de carga-descarga, por lo que para llevar a cabo esto es necesario considerar un ajuste de presión al control del compresor, cuyo valor para este análisis será basado en una presión diferencial de 10 psig (0.689 bar).
Definiendo las variables relacionadas, podemos calcular la capacidad mínima de los tanques para todo el rango de capacidad de compresores de tornillo KAESER.
Ejemplos:
- Compresor AS 20
Flujo = 99 cfm FAD = 168.2 m3 /h
VR = (168.2 x (0.5 – 0.52 ))/ (72 * 0.689)
VR = 0.85 m3 - Compresor CSD 100
Flujo = 494 cfm FAD = 839.3 m3 /h
VR = (839.3 x (0.79 – 0.792 ))/ (36 * 0.689)
VR = 5.61 m3 - c) Compresor ESD 300
Flujo = 1501 cfm FAD = 2550.2 m3 /h
VR = (2550.2 x (0.885– 0.8852 ))/ (18 * 0.689)
VR = 20.9 m3
Aplicando la misma fórmula y bajo las consideraciones arriba mencionadas, determinamos la capacidad y modelos de tanques necesarios para toda la gama de compresores de tonillo KAESER.
Mediante la aplicación de los principios de almacenamiento básicos que intervienen en un sistema de aire comprimido, es factible mejorar el rendimiento energético y operativo de los equipos, además de hacer reducciones en los gastos de mantenimiento por cambio anticipado en las unidades de compresión.
El volumen de almacenamiento que aporta la red al sistema de aire comprimido solo se considera cuando el diámetro de tubería está correctamente seleccionado, y las pérdidas de presión que genera la red no van más allá de 3% de la presión de operación del sistema. En el caso contrario, un diámetro mal seleccionado genera una restricción al flujo de aire comprimido por lo que el volumen de almacenamiento en tubería neumática no se aprovecha, ya que el aire no puede fluir libremente y llenar la red neumática para alcanza la presión de descarga de los compresores.