Gua para la elaboracin de un sistema de aire comprimido

52

3. Gua para la elaboracin de un sistema de aire comprimido en una planta

termosolar

El diseo de una instalacin de aire comprimido puede seguir una serie de pasos

secuenciales bsicos, los cules vamos a describir a continuacin:

3.1 Definicin de parmetros de operacin y diseo:

El primero de los pasos a seguir es definir y fijar los parmetros de operacin y

diseo del sistema de aire comprimido. Estos valores se fijaran en funcin de las

condiciones ambientales, que dependern de la situacin geogrfica de la planta,

y de los requisitos de presin y temperatura de los consumidores.

Las condiciones normales de operacin suelen fijarse en torno a las condiciones

ambientales.

Se necesita conocer tambin la presin minina necesaria de funcionamiento de

la maquinara neumtica, o al menos estimarla, para poder fijar un valor mnimo

de presin necesaria en el suministro de aire (Pmin); ya que de ella depender el

futuro dimensionamiento del compresor.

3.2 Identificacin de sistemas y elementos neumticos :

Localizar e identificar cada proceso de la planta que requiera de aire

comprimido, ya sea de instrumentos o de servicios, as como de la maquinaria

que precisa de ste suministro para poder estimar posteriormente el consumo

de aire comprimido.

Gua para la elaboracin de un sistema de aire comprimido

53

En la siguiente tabla se muestran los sistemas de una planta termosolar que

generalmente requieren el uso de aire de instrumentos/servicios:

Sistema Aire de instrumentos Aire de servicios

Agua de alimentacin X X

Agua de servicios X X

Agua Potable X X

Planta tratamientos de agua X X

Aire comprimido X

Contraincendios X

Condensado/Feedwater X

Enfriamiento (ACS) X

Calderas de HTF X X

Turbina X X

Dosificacin qumica X X

Sistema de muestreo X X

Regeneracin X X

Almacenamiento (Storage) X

Sistema de nitrgeno X

Generador de vapor X X

Booster heaters X X

Laboratorios X

Talleres X

Edificio Elctrico X

Estacin de combustible X

Tabla 3.1. Sistemas con uso de aire comprimido

Posteriormente se analizar el tipo de consumidor y consumo medio de aire por

sistema para poder hacer una buena estimacin del caudal de aire de

instrumentos y servicios y poder as comenzar a dimensionar los compresores,

los tanques y redes de suministro en pasos posteriores.

Gua para la elaboracin de un sistema de aire comprimido

54

3.3 Estimacin del consumo de aire comprimido de la planta:

En este paso vamos a estimar el consumo de todos los dispositivos de aire de

instrumentos y servicios.

En ocasiones se conocer con exactitud los consumos de algunos equipos o

sistemas de la planta termosolar mencionados en el apartado anterior, pero lo

ms normal es que tengamos que hacer una aproximacin del consumo medio y

del nmero de consumidores.

Para hacer una aproximacin fiable del caudal de aire y presin necesaria en la

red nos vamos a ayudar de tablas o informacin suministrada por los

proveedores.

Para el aire de instrumentos deberemos tener en cuenta:

Consumos vlvulas neumticas; ya sean vlvulas de control como vlvulas

todo/nada.

Como datos de partida de forma general para las vlvulas se considerar:

Consumo unitario vlvulas de control 1.4 Nm3/h

Factor simultaneidad vlvulas de control 100%

Consumo unitario vlvulas todo/nada 2 Nm3/h

Factor simultaneidad vlvulas todo/nada 30%

Herramientas neumticas: utilizadas en talleres y en el montaje de

diversos equipos de la planta.

Gua para la elaboracin de un sistema de aire comprimido

55

Equipos: En este apartado se englobara el consumo de aire comprimido

de los equipos de cada sistema; por ejemplo el caudal de aire que

necesitaran bombas, calderas, etc. as como la presin mnima necesaria

de este aire para su correcto funcionamiento. Esta informacin se

conseguir de las hojas de datos facilitadas por los suministradores de los

diferentes equipos.

Se ha de hacer una estimacin de consumo de aire de instrumentos (QI) por cada

sistema teniendo en cuenta los consumidores y consumos mencionados

anteriormente.

Segn las vlvulas se supondr un nmero de botellas distribuidoras para el aire

de instrumentacin. Cada conexin en la botella distribuidora tiene un alcance

de 6m a 12m de tramo recto y disponen de 10 a 16 conexiones, de las cuales dos

son de reserva. Ver figura 3.2

Tabla 3.2. Imagen botella distribuidora de aire comprimido

Gua para la elaboracin de un sistema de aire comprimido

56

Para la distribucin del aire de instrumentos existen varios modelos de botellas

suministradoras de aire comprimido; principal diferencia entre ellas es el nmero

de conexiones de mangueras que tienen. Los ms comunes son los que tienen 14

o 16 conexiones. Se pueden usar indistintamente dependiendo del nmero de

conexiones que necesitemos en la zona donde vayamos a ubicarlo.

Radio de accin media del barrilete 10 m

Nmero de barriles X

Nmero de conexiones por cada barril 1-5

Consumo unitario por conexin 15 Nm3/h

Como el radio de accin de las botellas suministradoras es amplio y estas poseen

mltiples conexiones, podemos agrupar varias zonas prximas en planta para

que compartan barrilete, es decir no es necesario ubicar un barrilete por sistema

si por ejemplo hay dos muy cercanos y ambos se bastan con las 16 conexiones de

aire comprimido que ofrece el barrilete.

El aire de servicios como se suministrar con tomas de mangueras flexibles o

con conexiones directas a los equipos. Debemos estimar el nmero de este tipo

de conexiones que necesitaremos a la hora de dimensionar nuestra planta

En primera aproximacin, el consumo de aire de servicios (Qs) ser:

Identificacin de

consumidores o zonas Radio de accin de cada conexin (m)

Conexiones Consumo Unitario (Nm3/h)

Factor de Simultaneidad

(%)

Consumo Total

(Nm3/h)

Agua de alimentacin 10 15 30 Agua de servicios 10 15 30 Agua Potable 10 15 30 Planta tratamientos de

agua 10 15 30 Calderas 10 15 30 Turbina 10 15 30

Gua para la elaboracin de un sistema de aire comprimido

57

Identificacin de consumidores o zonas

Radio de accin de cada conexin (m) Conexiones

Consumo Unitario (Nm3/h)

Factor de Simultaneidad

(%)

Consumo Total

(Nm3/h)

Dosificacin qumica 10 15 30 Sistema de muestreo 10 15 30 Ullage 10 15 30 Laboratorios 10 15 30 Talleres 10 15 30 Edificio Elctrico 10 15 30 Gas Oil/ Fuel Oil 10 15 30 Total (Qs)

Tabla 3.3. Consumo aire de servicios

Una vez calculados ambos caudales de aire, ya tenemos una primera

aproximacin de cul ser el requerimiento de aire comprimido de la planta (Qt).

Qt= Qs+QI (Nm3/h) (3.1)

3.4 Presiones de operacin:

Determinar la presin ms elevada (Pmax) que requieren estos elementos as

como la mnima de funcionamiento de los equipos (Pmin).

Las herramientas neumticas, que dependern del aire de servicios, tienen por lo

general una presin de trabajo entre 6-7 barg.

Del aire de instrumentacin dependern los equipos de la `planta y las vlvulas

de control, las presiones normales de operacin en este caso van de los 8-9

barg; un poco ms altas que las del aire de servicios.

3.5 Factores para dimensionamiento:

Estimacin valor de fugas y margen para futuras ampliaciones de la instalacin:

Gua para la elaboracin de un sistema de aire comprimido

58

Puesto que las fugas dependen del nmero y del tipo de conexiones, de la

calidad de la instalacin, de los aos de la misma y de la presin de trabajo, es

difcil determinar un valor esperado de fugas en la instalacin. Como regla

general, es de esperar que muchos puntos de consumo con necesidades bajas

tendrn muchas ms fugas que pocos puntos de consumo con necesidades de

caudal altas.

Instalaciones bien conservadas presentan normalmente fugas que rondan entre

el 2 y el 5%. Instalaciones con varios aos de servicio pueden llegar a tener fugas

del orden del 10%. Si adems, las condiciones de mantenimiento son malas,

estas pueden llegar a alcanzar valores del 25%.

Otro factor que hemos de tener en cuenta a la hora de disear una instalacin de

aire comprimido es una probable ampliacin de las instalaciones a corto/medio

plazo; por ello se va a sobredimensionar el tamao de las conducciones

principales entorno a un factor del 10%.

Como tnica general se van a tomar ambos factores como un 10%, por lo que

nuestro caudal final a tener en cuenta para el dimensionamiento ser:

Qf = Qt*1.20 (Nm3/h) (3.2)

Si existe algn factor ms a tener en cuenta deber de aplicrsele tambin a este

caudal final.

3.6 Dimensionamiento de la red:

Una vez conocido el caudal total de las planta tras haberle sumado los

porcentajes para posibles ampliaciones y fugas, vamos en este apartado a

dimensionar la red principal de la instalacin con la ayuda de las siguientes

ecuaciones:

Gua para la elaboracin de un sistema de aire comprimido

59

v= (3. 3) y A= R

2 (3. 4)

Siendo:

Q: caudal en m3/s

V: Velocidad en m/s

A: Seccin de la tubera en m2

R, radio de la tubera en m. De este valor sacaremos el dimetro con

D= 2R

Para ello hemos de tener en cuenta que el criterio de velocidad para tuberas de

aire comprimido se encuentra de los 6- 10 m/s, aunque en los colectores

principales del sistema aunque se pueden llegar a admitir velocidades de hasta

los 20 m/s.

Si fijamos la velocidad mxima en 10 m/s y la mnima en 6 m/s obtendremos los

dimetros mximos y mnimos respectivamente para los cuales se cumplen las

condiciones de caudal y velocidad.

Llegados a este punto la nica condicin que nos quedara sera las exigencias de

presin en el punto ms alejado de la planta. Para ello hemos de calcular en

primer lugar las prdidas de carga del sistema para posteriormente dimensionar

el compresor.

3.7 Clculo de prdidas de carga:

Una vez llegados a este punto de la gua se deber hacer una distribucin de la

instalacin con el fin de comenzar el dimensionamiento y las prdidas de carga

de la instalacin.

Gua para la elaboracin de un sistema de aire comprimido

60

Antes de poder empezar a calcular las prdidas de carga de la instalacin

debemos hacer una distribucin en planta del trazado de la tubera de aire

comprimido, usando las recomendaciones de la seccin 2.1.6.

Hemos de fijar la ubicacin de los botellas suministradoras de aire comprimido

para el aire de instrumentos, y las tomas de mangueras para el aire de servicios

de cada equipo /sistema anteriormente mencionado en el punto 3.

Esta distribucin no slo nos servir para ubicar y definir nuestro sistema de aire

comprimido sino tambin para poder calcular las longitudes de las tuberas para

a continuacin realizar el clculo de las prdidas de carga de la lnea.

Para calcular las prdidas de carga en las tuberas necesitamos determinar la

longitud total (Lt) desde el compresor al punto ms alejado de la instalacin. Para

ello a la longitud real (L) de tramo de tubera se le ha de sumar la longitud

equivalente (Le) que aportan las prdidas singulares.

Quedando Lt = L + Le (3.3)

Para calcular las prdidas reales sumaremos todos los tramos de tubera hasta el

punto ms alejado teniendo siempre en cuenta el trazado de lnea, es decir,

subidas y bajadas de rack, giros, codos, etc.

Una vez calculadas las longitudes equivalentes y sumados todos los tramos de

tubera real hasta el punto ms alejado de la instalacin vamos a proceder a

determinar la prdida de carga asociada a esa longitud total (Lt). Para realizar

este clculo vamos a utilizar Darcy-Weisbach, cuya formulacin es la siguiente:

P= Ltv2D2g =8fgLtQ2

2 (3.4)

Gua para la elaboracin de un sistema de aire comprimido

61

Siendo:

P, las prdidas producidas en la tubera en m, segn la expresin de

Darcy-Weisbach.

f, factor de friccin adimensional, el cul estudiaremos a continuacin.

Lt, longitud total tubera,

D, dimetro interior de la tubera en m.

V, velocidad del flujo en m/s.

g, aceleracin de la gravedad, 9.81 m/s2.

El factor de friccin de Darcy-Weisbach (f) es, a su vez, funcin de la velocidad,

del dimetro del tubo, la densidad, la viscosidad del fluido y la rugosidad interna

de la tubera.

Para calcular el factor de prdidas f en la regin laminar, es decir Re4000, normalmente se usa la ecuacin de Colebrook-White.

Gua para la elaboracin de un sistema de aire comprimido

62

!" = 2 $%& '

().+! +

-..!/0"1 (3.7)

O la frmula de Swamee y Jain, la cual debe cumplir en un rango determinado:

f= 2.-.

3456 7.89:;?@ donde; (3.8)

Donde

A / D rugosidad relativa del tubo. G y T parmetros de ajuste:

G = 4.555 T = 0.8764 para 4000 < Re < 105

G = 4.555 T = 0.8764 para 4000 < Re

Gua para la elaboracin de un sistema de aire comprimido

63

Figura 3.4. baco de Moody

Para los elementos de valvulera y calderera, las prdidas de presin se estiman

relacionando la prdida de energa con el trmino cintico de la ecuacin de

Bernoulli, mediante el uso de un coeficiente adimensional que variar segn el

caso estudiado.

P=K B-C (3.9)

P, las prdidas producidas en la tubera en metros.

V, velocidad del flujo en m/s.

K, Coeficiente determinado en forma emprica para cada tipo de punto

singular.

g, aceleracin de la gravedad, 9.81 m/s2.

El coeficiente K depende del tipo de singularidad. En la siguiente tabla se

muestran algunos valores de las singularidades ms tpicas:

Gua para la elaboracin de un sistema de aire comprimido

64

Tipo de singularidad K

Vlvula de compuerta totalmente abierta 0,2

Vlvula de compuerta mitad abierta 5,6

Curva de 90 1,0

Curva de 45 0,4

Vlvula de pie 2,5

Emboque (entrada en una tubera) 0,5

Salida de una tubera 1,0

Ensanchamiento brusco (1-(D1/D2)2)2

Reduccin brusca de seccin (Contraccin) 0,5(1-(D1/D2)2)2

Tabla 3.5. Valor de K segn tipo de singularidad

Como podemos ver todo este clculo es bastante laborioso, por ello, a efectos

prcticos, en muchos casos se simplifica bastante el clculo tomando algunas

consideraciones sobre las prdidas singulares:

Para vlvulas, puede tomarse como equivalente la prdida descarga por

rozamiento en una tubera recta de 10 m de longitud y de igual

dimetro que el accesorio.

En ocasiones, puede tomarse una longitud total de tubera

incrementada en un 5 20 %, dependiendo de la longitud y el mayor o

menor nmero de puntos singulares.

Las prdidas localizadas en general pueden despreciarse cuando, por

trmino medio, haya una distancia de 1000 dimetros entre dos puntos

singulares.

Cabe mencionar que otra forma de calcular las prdidas de carga es utilizando

tablas o programas; como el Pipe el cul utilizaremos para nuestro ejemplo en el

Gua para la elaboracin de un sistema de aire comprimido

65

apartado siguiente, que ya incorporan los clculos que se derivan de la ecuacin

de Darcy-Weisbach (ecuacin 3.4).

Para las prdidas de carga en tuberas debidas a la friccin podemos utilizar

diferentes tablas, la mostrada a continuacin (ver figura3.6) sera un ejemplo

para el acero. Podemos encontrar tablas de este tipo para materiales, dimetros,

caudales.etc.

.

Tabla 3.6 Prdidas de carga en tuberas de acero

Y para calcular las prdidas de presin singulares podemos ayudarnos de tablas

o de las hojas de datos de los suministradores. La siguiente tabla muestra las

prdidas de carga localizadas para distintos elementos que se pueden encontrar

en las instalaciones neumticas

Gua para la elaboracin de un sistema de aire comprimido

66

Tabla 3.7. Prdidas de carga localizadas (Gua Atlas Copco)

Los elementos singulares que se han de tener en cuenta para este tipo de

prdidas son:

Codos, Ts.

Tubos de drenajes: Podemos considerar de 0.035 a 0.13 bar de prdidas.

Filtros.

Vlvulas: Las prdidas de carga en las vlvulas dependern del tipo y del

tamao.

Las mangueras flexibles conectadas en los puntos finales.

Gua para la elaboracin de un sistema de aire comprimido

67

Una vez calculadas las prdidas totales de la instalacin de aire comprimido, es

decir, la suma de las prdidas de la lnea por friccin ms las prdidas singulares

y conociendo la presin de trabajo mxima que se necesitar en el punto ms

alejado de la planta ya se est en disposiciones de calcular el compresor.

Gua para la elaboracin de un sistema de aire comprimido

68

3.8 Seleccin de equipos:

3.8.1 Seleccin del compresor:

La seleccin del tipo de compresor y de su capacidad son parmetros crticos

en el diseo de una instalacin de aire comprimido. Una acertada eleccin

supone un gran ahorro energtico durante el funcionamiento normal de la

instalacin.

En general, se establecen cinco pasos bsicos para fijar correctamente la

capacidad del compresor. A saber:

Estimar el total de consumos de los dispositivos que emplean aire.

Determinar la presin ms elevada que requieren estos.

Estimar un valor tpico de fugas.

Fijar las mximas cadas de presin admitidas tanto para los diversos

elementos como para las conducciones.

Otras consideraciones que afecten al diseo: condiciones

medioambientales, del entorno, altitud, etc.

Como se puede ver todas estas consideraciones son las que hemos ido

tomando en pasos anteriores, por lo que slo queda elegir el tipo ms

adecuado para aplicacin.

Se seleccionar el compresor considerando la presin mxima de operacin

de este como la Presin necesaria para llegar al punto ms alejado de la

instalacin y aplicndole adems un porcentaje de un 15%.

El modelo de compresor ms acertado para instalaciones de este tipo es el

compresor rotativo exento de aceite, aunque esto tambin depender de las

Gua para la elaboracin de un sistema de aire comprimido

69

exigencias del sistema de aire comprimido, de la planta y del diseador de la

instalacin.

3.8.2 Seleccin de los tanques de instrumentacin y servicios:

Los tanques de aire de instrumentacin y servicios tienen como finalidad

proteger los compresores en los ciclos de arranque y paradas de estos,

adems de tener la capacidad suficiente para en caso de fallo poder

llevar a los equipos de la planta a situacin de paro seguro para evitar as

posibles daos de las instalaciones y equipos neumticos.

Tanque de aire de instrumentos:

Para el clculo del volumen del tanque de aire de instrumentos tenemos

en cuenta:

1. Tiempo residencia, ser el suficiente para abastecer los equipos

neumticos de la planta de aire comprimido hasta la situacin

de paro seguro. Este tiempo suele oscilar entre 10-20 minutos

2. El caudal del aire de instrumentos

3. Presiones de arranque y paro del compresor respectivamente,

segn nuestras presiones mnimas y mximas admisibles por el

sistema de aire comprimido.

Partimos de la ecuacin de los gases nobles de donde calcularemos el

nmero de moles de aire comprimido de nuestro sistema.

TRnVP = TRVP

n= (3.10)

Gua para la elaboracin de un sistema de aire comprimido

70

Como el volumen de un mol de gas en condiciones normales es de

0,0224 m3, calcularemos el volumen de un mol de aire a las condiciones

de operacin del sistema, partiendo de la base de que la cantidad de

masa es invariable independientemente de las condiciones a las que se

encuentre el gas.

D9E9 / F9 =

DB EB / FB (3.11)

Siendo:

- R=0,008314 GHI JJ43 G la constante de los gases perfectos.

- Las condiciones 1, seran las condiciones normales.

- Las condiciones 2, seran las condiciones de operacin de nuestro

sistema.

De la ecuacin 3.11 calcularemos el V2 (m3) de aire a nuestras condiciones

de operacin, que ser en la siguiente ecuacin el Vm

A continuacin volviendo a hacer uso de la ecuacin de los gases

perfectos y de las presiones de arranque y paro del compresor, que

determinaremos segn las exigencias de nuestro sistema, calcularemos el

volumen del tanque de instrumentacin.

KL5MNL5OJLJP QQRST

= L?UK DMNDO/ F?U (3.12)

Siendo:

Vsi-Vsf = Qaire ; (3.13)

Gua para la elaboracin de un sistema de aire comprimido

71

Teniendo en cuenta que:

- Qaire; es el caudal de aire de instrumentacin en m3/h

- ; es el tiempo de residencia que establezcamos

- Vm; ser el volumen de aire por mol calculado con la ecuacin 3.11

(m3/mol)

- VTQ; Volumen del tanque de instrumentacin, en este caso nuestra

incgnita (m3)

- TTQ; temperatura del aire de instrumentacin

- Pi y Pf; sern las presiones de arranque y paro del compresor (Kpa).

Estas presiones las obtendremos tras el clculo de las prdidas de

carga, ya que sern las presiones mnimas y mximas que necesita

nuestro sistema de aire comprimido para cumplir las exigencias de

la planta.

Si sustituimos la ecuacin 3.13 en la 3.12 y despejamos VTQ,

obtendremos finalmente el volumen del tanque de instrumentacin:

molmVm

Qaire

PfPi

PfPiTRV TQTQ 3)(

)(

= (m3) (3.14)

Tanque de aire de servicios:

Con el fin de respaldar la red de instrumentacin, la cual es

imprescindible para el funcionamiento de la planta termosolar, el tanque

del aire de servicios debe tener capacidad suficiente para abastecer las

necesidades del aire de instrumentos por si se produjese algn fallo en el

suministro de ste.

Gua para la elaboracin de un sistema de aire comprimido

72

Por este motivo la capacidad del tanque de servicios ser igual a la del

tanque de instrumentos aunque realmente tenga un caudal y presin de

operacin menores al de instrumentacin.

3.9 Ejecucin del piping final y tamao de la red :

Una vez realizados los clculos dimensionados los equipos ya estamos en

disposiciones de realizar el trazado y tamao definitivo de la red de aire

comprimido.

3.10 Normativa aplicable:

La normativa que se ha de tener en cuenta en el diseo de un sistema de aire

comprimido para una planta termosolar ser:

ISO 8573. Introducida en el 2001, la norma ISO 8573.1 especfica

normas de calidad de aire. Esta normativa desarrolla 6 clases de calidad

del aire mostradas a continuacin:

Figura 3.8 Tabla ISO 8573 sobre calidad del aire

Gua para la elaboracin de un sistema de aire comprimido

73

En una instalacin de aire comprimido tanto los compresores, las

secadoras como los filtros/postfiltros debern cumplir la calidad 0 exigida

por la ISO 8573.

Real Decreto 2060/2008, de 12 de diciembre, por el que se aprueba el

Reglamento de equipos a presin y sus instrucciones tcnicas

complementarias. Este reglamento complementa la legislacin de

equipos a presin prevista en el Real Decreto 769/1999, de 7 de mayo,

por el que se dictan las disposiciones de aplicacin de la Directiva del

Parlamento Europeo y del Consejo, 97/23/CE, relativa a los equipos a

presin y se modifica el Real Decreto 1244/1979, de 4 de abril, que

aprob el Reglamento de Aparatos a Presin.

Mediante el presente real decreto se aprueba un nuevo reglamento por

el que se establecen los requisitos para la instalacin, puesta en servicio,

inspecciones peridicas, reparaciones y modificaciones de los equipos a

presin, con presin mxima admisible superior a 0,5 bares,

entendindose como tales los aparatos, equipos a presin, conjuntos,

tuberas, recipientes a presin simples o transportables. Adems, se

aprueban instrucciones tcnicas complementarias para determinados

equipos o instalaciones

ASME Seccin VIII, Divisin I, En esta parte del cdigo se establecen

los requerimientos mnimos para el diseo, fabricacin e inspeccin y

para obtener la certificacin autorizada de la ASME para los recipientes a

presin. Los tanques de aire de instrumentacin y de servicios debern

cumplir tambin esta normativa.

ISO 1217; 1996: Los compresores de la planta debern cumplir las

pruebas de aceptacin conforme conforme al anexo C.

Gua para la elaboracin de un sistema de aire comprimido

74

ISO 9001: Todos los equipos de la planta debern cumplir las

normas de calidad para certificacin establecidas en la ISO 9001:2008

UNE 1062 Y UNE 1063: Siendo la primera de ellas para signos

convencionales de tuberas y la segunda para colores de tuberas en

instalaciones. Segn la UNE 1063 el aire comprimido llevar el pintado en

azul. La normativa DIN 2403 tambin trata los colores de tuberas segn

el tipo de instalacin.

Normas DIN: Las diferentes normas DIN lleva a cabo la

normalizacin de vlvulas accesorios, tuberas, codos bridas, etc.