Ejemplo Red Diseño Aire Comprimido

Ejemplo de dimensionamiento de una red de aire comprimido

75 Mª Granada García González

4.-Ejemplo de dimensionamiento de una red de aire comprimido

Llegados a este punto del proyecto vamos a realizar un ejemplo práctico de diseño y

dimensionamiento de un sistema de aire comprimido en una planta termosolar

La planta termosolar que se utilizará de ejemplo será una genérica de 300 MW de

ubicación en España. Todos los datos necesarios de consumos de válvulas y equipos han

sido tomados de hojas de datos y tablas de distintos suministradores, para poder basar

así los cálculos en datos fiables

En el anexo I se muestra un plano de ubicación de la planta termosolar así como la

situación de los distintos sistemas de la planta que requieren de la instalación de aire

comprimido.

Se ha seleccionado una configuración de dos compresores trabajando ambos al 100%. Ver

configuración en figura 2.17

4.1 Definición de parámetros de operación y diseño:

Para el cálculo de consumos de esta memoria se consideran las siguientes

condiciones normales de presión y temperatura (condiciones ambientales):

P = 1 bar

Tª= 25 ºC

La temperatura de operación considerada para el sistema de aire comprimido se

establece como 30ºC, ya que tras la compresión del aire éste se calienta.

Además otro factor a tener en cuenta es que las tuberías de aire comprimido van



sin aislar por lo tanto puede producirse un incremento de su temperatura por

incidencia directa del sol.

La temperatura de diseño del sistema será 20ºC mayor que la temperatura de

operación, es decir 50ºC.

Como el aire de instrumentación es de mayor importancia que el de servicios, ya

que una falta de suministro en esta parte de la red supondría un paro de la

planta, será este quién marque las exigencias de presión.

Las válvulas de control y equipos presentes en esta planta termosolar marcarán

un consumo de aire a presiones que oscilan entre los 6.5 y 9 barg.

4.2 Identificación de sistemas y elementos neumáticos:

En la siguiente tabla se va a proceder a identificar los sistemas de la planta

termosolar que requieren del uso de aire comprimido.

Sistema Aire de instrumentos Aire de servicios

Turbinas X X

Calderas X X

Almacenes X

Agua de servicios X X

Planta tratamiento aguas X X

Estación de gas X X

Talleres X

Aguas residuales X

Laboratorio X

Edifico eléctrico X

Separador de aceite X

Agua alimentación X

Aire comprimido X



Sistema Aire de instrumentos Aire de servicios

Contraincendios X

Dosificación química X

Agua desmineralizada X X

Vapor alta y media presión X

Figura 4.1 Tabla de sistemas que precisan de aire comprimido

4.3 Estimación del consumo de aire comprimido de la planta:

Se va a estimar el consumo de aire de instrumentos y de servicios a los cuales se

les añadirá los factores correspondientes de sobredimensionamiento para una

estimación más exacta de cada tipo de aire, agrupando en esta sección los

puntos 3.3 y 3.5 del capítulo anterior.

De esta forma se obtendrá de una forma más clara el caudal total de aire

comprimido necesario en la planta.

4.3.1 Designación de cantidad de Aire de Instrumentos

Para estimar el consumo de aire de instrumentos se considerarán los siguientes

parámetros de partida, excepto para el caso de las calderas y de las turbinas.

Consumo unitario de las válvulas de control 1.4 Nm

3/h

Factor de simultaneidad de las válvulas de control 100 %

Consumo unitario de las válvulas todo/nada 2 Nm3/h

Factor de simultaneidad de las válvulas todo/nada 15 %

Se va a considerar que la planta ejemplo consta de dos caldera de apoyo que

requieren aire de instrumentación; después de consultar varias hojas de datos de

suministradores de calderas se va a considerar cada caldera con 12 conexiones



para aire de instrumentos y con una presión mínima de suministro de aire de

6.20 barg

Caudales caldera (aire instrumentos)

Conexiones Kg/s Nm3/h T(ºC) m3/h

1 0.0002 0.608 25.000 0.084

2 0.0050 15.203 25.000 1.845

3 0.0020 6.081 25.000 0.770

4 0.0050 15.203 25.000 1.845

5 0.0050 15.203 25.000 1.845

6 0.0050 15.203 25.000 1.845

7 0.0050 15.203 25.000 1.845

8 0.0002 0.608 25.000 0.084

9 0.0002 0.608 25.000 0.084

10 0.0002 0.608 25.000 0.084

11 0.0002 0.608 79.000 0.244

12 0.0002 0.608 79.000 0.244

Total 85.743

Figura 4.2 Tabla consumos de aire comprimido de la caldera

Como la planta consta de dos calderas el consumo de aire de ambas calderas

será: 84.75*2= 171.5 Nm3/h.

Para las turbinas también se han supuesto consumos un podo más elevados por

parte de las válvulas ya que tras búsqueda de información de varios

suministradores se ha considerado necesario.

En la siguiente tabla se ve el consumo estimado de aire de instrumentos tras las

aclaraciones hechas en párrafos anteriores:



Sistema Tipo de Consumidor Nº Total

Consumo

Unitario

(Nm3/h)

Factor de

simultaneidad

(%)

Consumo

Total (Nm3/h)

Agua de

alimentación

Válvula de control 0 1.4 100 0

Válv Todo-nada 0 2 15 0

Equipos 0 0 100 0

Agua de servicios


Válv Todo-nada 1 2 15 0.3

Equipos 0 0 100 0

Aire comprimido



Equipos 2 0 100 0

Contraincendios



Equipos 0 0 100 0

Agua

desmineralizada /

condensado



Equipos 0 0 100 0

Enfriamiento

auxiliar

Válvula de control 2 1.4 100 2.8


Equipos 0 0 100 0

Purga intermitente



Equipos 0 0 100 0

Gas combustible



Equipos 0 0 100 0

Vapor Alta y media

presión



Equipos 0 0 100 0

2 Calderas



Equipos 2 3.5 100 7

2 Turbinas



Válv Todo-nada 46 0.42 15 2.898

Equipos 0 0 100 0

Tratamiento de

agua



Equipos 0 0 100 0



Sistema Tipo de Consumidor Nº Total

Consumo

Unitario

(Nm3/h)

Factor de

simultaneidad

(%)

Consumo

Total (Nm3/h)

Dosificación química

al ciclo



Equipos 0 0 100 0

Dosificación química

a refrigeración



Equipos 0 0 100 0

Aguas residuales

industriales



Equipos 0 0 100 0

Aguas residuales

sanitarias



Equipos 0 0 100 0

Total Válvulas 127 Total 203.538

Figura 4.3 Tabla consumos de aire de instrumentación

Por lo tanto se tienen los siguientes resultados:

Total válvulas Consumo (Nm3/h)

127 203.54

El número de botellas distribuidoras, dependiendo de la situación de los

consumidores y del número de válvulas a alimentar, será de 41 botellas, tal y

como se verá en el esquema realizado con el PIPE FLOW en el apartado 4.7.

Como se comentó en secciones anteriores el aire de instrumentación debe ser

secado, por lo que además de los factores que se enunciaron en la sección

anterior también hemos de tener en cuenta el consumo de aire por parte de los

secadores.

Para el cálculo del caudal total de aire de instrumentos se consideraran por tanto

los siguientes factores:



� 15% purgas secadores (Estos equipos entregan el aire con un punto de

rocío de -40ºC.)

� 10% por posibles fugas

� 10% para futuros requerimientos.

� 20% por incertidumbre en el conteo de los instrumentos

Tras aplicar estos factores este caudal se incrementa a un caudal total de:

QI=315.5 Nm3/h

4.3.2 Designación de cantidad de Aire de Servicios:

Para la ilustración de este ejemplo se tendrá en cuenta las siguientes

consideraciones:

• Se ha zonificado la planta en 13 zonas en base a los tipos de uso y

proximidad.

• Se ha supuesto como hipótesis un radio de acción (alcance) aproximado de

10 m por conexión. En base a esta hipótesis, se ha supuesto un número

aproximado de conexiones por zona según el radio de acción, amplitud de la

zona a abastecer y tipos de sistemas existentes en la zona.

• Se ha supuesto un consumo medio y factor de simultaneidad por conexión

Suponiendo el número de conexiones por zona y un factor de simultaneidad del

30% se obtendrá el valor de la columna de consumo total, primero por zonas y la

suma de todas ellas nos dará el caudal total de aire de servicios tal y como se

muestra en la siguiente tabla.



Identificación de

consumidores o zonas

Radio de

acción de

cada

conexión (m)

Conexiones

Consumo

Unitario

(Nm3/h)

Factor de

Simultaneidad

(%)

Consumo

Total

(Nm3/h)

Zona Caldera 1 10 5 15 30 22.5

Zona Caldera 2 10 5 15 30 22.5

Zona turbina 1 10 6 15 30 27

Zona turbina 2 10 6 15 30 27

Zona almacenes 10 4 15 30 18

Tanques y agua servicio 10 2 15 30 9

Planta tratamiento agua 10 1 15 30 2.5

Tanques Agua demi y

condensado 10 4 15 30 18

Zona estación de gas 10 1 15 30 2.5

Taller electromecánico 10 2 15 30 9

Aguas residuales 10 1 15 30 2.5

Edificio

eléctrico/laboratorio 10 4 15 30 18

Separador aceites 10 2 15 30 9

Total (Qs) 43 193.5

Figura 4.4 Tabla consumos de aire de servicios.

El total obtenido de dichas conexiones es de 193.5 Nm3/h. Se añade a dicho

consumo:

� 10% por posibles fugas

� 10% para futuros requerimientos.

Obteniendo, por lo tanto un caudal total para el aire de servicios de:

Qs = 232.2 Nm3/h



4.4 Presiones de operación:

Se fijará la presión de operación del sistema en la presión del aire de

instrumentos, ya que esta va a ser mayor que la del aire de servicios. Como el

aire de instrumentos como máximo fluirá por la tubería a 9 barg; (tal y como se

verá en la sección 4.7) según nuestra estimación; y el aire de servicios tiene una

presión menor, tomaremos esta como nuestra presión de operación del sistema

La presión de diseño del sistema suele tomarse 1.2 veces la de operación; en

este caso 10.8 barg.

4.5 Factores para dimensionamiento:

Como bien puede recordar el lector todos los factores a tener en cuenta para el

cálculo final del caudal de aire comprimido fueron aplicados directamente en el

punto 4.3, teniendo así los caudales totales de aire de instrumentos y de aire de

servicios. Por lo tanto el caudal final de aire comprimido de nuestra planta será:

Qf= QI + Qs= 315.5 +232.2= 547.7 Nm3/h

4.6 Dimensionamiento de la red:

En esta apartado en lugar de dimensionar las tuberías tal y como se mostro en la

sección 3.6, se van a calcular sus diámetros conjuntamente con el punto 4.7 de

cálculo de pérdidas de carga.

Las pérdidas de la red de aire comprimido van a ser calculadas con un programa

que nos va a permitir introducir los diámetros de las tuberías y modificarlos

cuantas veces sea necesario hasta obtener los valores de presión deseados.



Teniendo en cuenta el caudal de aire de cada tramo de tubería se hará una

estimación del diámetro y si esto no es correcto o las pérdidas de carga son muy

elevadas este se aumentará y en caso contrario se disminuirá.

4.7 Cálculo de pérdidas de carga:

En la sección 3.7 del proyecto que nos ocupa se mostraron varios métodos para

el cálculo de las pérdidas de carga de la instalación, no obstante se ha decidido

realizar el cálculo de éstas mediante la utilización del programa PIPE FLOW por

ser bastante ilustrativo e intuitivo, además de dar una visión general de cómo

sería una instalación de aire comprimido.

Antes de comenzar el cálculo de las pérdidas de carga se va a hacer una breve

introducción del PIPE FLOW y de su manejo.

El PIPE FLOW EXPERT está diseñado para ayudar a analizar y resolver una amplia

gama de problemas en los que el objeto de estudio debe ser la pérdida de caudal

y presión a través de una red de tuberías determinado. Este programa permite

dibujar un complejo sistema de tuberías y analizar el flujo que circula por ellas,

en el caso que nos ocupa aire comprimido.

Figura 4.5.Imagen PIPE FLOW EXPERT



El PIPE FLOW EXPERT nos va permite hacer un análisis del flujo y tuberías a las

condiciones de operación del fluido, dándonos resultados finales por tramos de

tuberías que incluyen:

� Velocidades del flujo

� Números de Reynolds

� Las pérdidas de componentes

� Caída de presión en el tramo

� Las presiones en los nodos

� Los factores de fricción

Se podrá elegir las unidades de medida de los datos de entrada y salida, así como

elegir las variables de entrada a la hora de diseñar el sistema de aire

comprimido,

PIPE FLOW EXPERT permite diseñar una red de aire comprimido de manera

rápida, sencilla e intuitiva. Con sus herramientas se dibujará de forma

esquemática el sistema, este programa permite incluir no sólo el trazado de

tuberías, sino también tanques, bombas, válvulas, válvulas de control, etc.

Figura 4.6.Imagen Interface PIPE FLOW EXPERT



Como primer paso en el diseño de la red de aire comprimido se seleccionará el

compresor, como el programa no ofrece esta opción se tratará como un tanque

presurizado, al cual se le añadirá la presión en la casilla Surface Pressure. En

principio se añade la presión mínima necesaria que requiere el sistema de aire

comprimido en el punto más lejano, 6.2 barg en las calderas, pero se podrá

modificar cuantas veces sea necesario y rehacer los cálculos hasta obtener los

resultados deseados.

Figura 4.7.Imagen características tanque

Una vez colocado el tanque que hará las funciones de compresor se podrá

comenzar a trazar la tubería de aire comprimido. Las tuberías se unirán unas con

otras mediantes nodos. Ver figura 4.8

Figura 4. 8. Colocación tuberías PIPE FLOW EXPERT



Como se puede ver en la figura 4.8 el programa asigna directamente un número

a cada nodo de tubería colocado; esto facilitará mucho el trabajo a la hora de

analizar los resultados, ya que el report de cálculos viene dividido por tamos de

tuberías y nombrado según los números de los nodos. Todo ello se verá más

adelante cuando se obtengan los resultados del sistema de aire comprimido que

se está estudiando.

Por otro lado a cada tramo de tuberías que se coloque se le podrá introducir la

longitud, el material, el diámetro, la rugosidad y la valvulería para calcular de

esta forma las pérdidas de carga por tramo lo mas exactas posibles. Algo vital

que no se puede olvidar es introducir el fluido que circula por la tubería y las

condiciones tanto de presión como de temperatura a las que se encuentra. Ver

figura 4.9

Figura 4. 9. Selección del fluido y condiciones de operación.

Una vez aclarado estos conceptos se va a comenzar a trazar nuestra red de

tuberías de aire comprimido.

Lo primero que se realizará será la selección del material de la tubería, en este

caso se utilizará acero galvanizado para el aire de servicios y acero inoxidable

para el aire de instrumentación y la salida del compresor.



Figura 4.10 Selección materiales tuberías

Como se puede observar en la figura 4.10 el programa da la opción de elegir

numerosos tipos de material, con distintos Schedule además de mostrarnos el

rango de diámetros en los que estos están disponibles. Si el material que se

desee no se encuentra entre las opciones del programa se podrá añadir un

nuevo material con las características que interesen.

Este proceso de elección del material se ha de realizar con la colocación de cada

nuevo tramo de tubería, tanto para el aire de servicios como para el de

instrumentación.

Una buena opción es diseñar en primer lugar la red de aire comprimido y una vez

terminada y visualizada comenzar a modificar las propiedades de cada tramo de

tuberías, es decir seleccionar diámetro, material, fluido, introducir longitud y

valvulería. Ver figura 4.11



Figura 4.11 Sistema aire comprimido



La figura 4.11 representa la distribución que se ha supuesto para el sistema de

aire comprimido. Como se puede observar se ha colocado sólo un compresor

aunque la planta posea dos ya que estos trabajan 2 al 100%, es decir, uno

trabajando al 100% y el otro parado y viceversa. Por este motivo y para hacer

más visual los cálculos no se ha introducido el otro compresor, ya que ambos

deben estar dimensionados para el 100% del caudal de aire comprimido.

También se han colocado los filtros/postfiltros y secadoras simulándolos con

cajas con pérdidas de carga asociadas. Estas pérdidas de carga se han obtenido

de las hojas de datos de suministradores, siendo de 0,2 bar para las secadoras y

de 0.5 bar. (Pérdidas de carga recomendadas por el manual del aire comprimido

de Atlas Copco)

Se observa en la figura 4.11 que a la salida del compresor está el colector común

para ambos aires, llegados a un punto estos se bifurcan diferenciándose

claramente el aire de instrumentación (tubería roja) del aire de servicios (tubería

blanca).

La red de aire de servicios tiene 13 tomas de aire comprimido según las zonas de

la planta termosolar indicadas en la tabla 4.4. Para el aire de instrumentación se

ha supuesto una configuración con 41 barriles distribuidores de aire comprimido,

los cuales han ubicado atendiendo a la ubicación de los sistemas y equipos en la

planta (ver Anexo I), así como a los diferentes consumos. Mencionar que pueden

existir diferentes configuraciones validas para la red de aire comprimido; pueden

reducirse o aumentarse el número de tomas o barriles distribuidores. La

variación del número de barriles de aire comprimido afectará a la velocidad del

caudal de aire comprimido en la tubería y a las pérdidas de carga del tramo de

red; pero siempre que se esté dentro de los márgenes de presión o

consideraciones marcadas la distribución será válida.

El colector común se ha dimensionado para todo el caudal de aire comprimido

que requiere nuestra planta, que era igual a la suma del caudal del aire de



instrumentación y servicios 547.7 Nm3/h. Este tramo de tuberías se ha

dimensionado inicialmente en 3”, ya que las instalaciones de aire comprimido no

suelen tener grandes dimensiones.

Si al analizar el report final con los cálculos se observa que las caídas de presión

son muy altas en este tramo de línea se aumentará este diámetro a 4”, y así

sucesivamente hasta conseguir los valores deseados de pérdidas de carga. Ver

figura 4.12

Figura 4.12 Diámetro colector principal.

El colector principal de las tuberías del aire de instrumentación se ha

dimensionado para 2”, ya que su caudal es de 315. 5 Nm3/h. Se ha utilizado

acero inoxidable, ya que se precisa para la instrumentación de la planta aire de

gran pureza y calidad.

El fluido para este tipo de aire se ha seleccionado como aire a 30ºC y 9 barg, ya

que el aire de instrumentación está trabaja entorno a este valor. Ver figura 4.13



F

igura 4.13 propiedades aire de servicios

Para las conexiones de los barriles de aire de instrumentación se ha

dimensionado inicialmente la tubería para 1 ½”, aunque este diámetro se

modificará si resultan pérdidas de carga muy altas en estos tramos de tuberías.

Cada barril distribuidor de aire comprimido tiene una capacidad de 15 Nm3/h,

por lo tanto lo que se ha de hacer es repartir los consumos de aire de

instrumentos de la tabla 4.3 en 41 tomas según las zonas y consumos quedando

la distribución de aire de instrumentos como se muestra en la figura 4.14.



Figura 4.14 Distribución aire de instrumentos



Para el aire de servicios el proceso seguido ha sido el mismo; se han fijado las

propiedades de este tipo de aire en 30ºC y 8 barg, un poco más baja que la del

aire de instrumentación. Ver figura 4.15. Como el aire de servicios trabaja a

menor presión que el aire de instrumentos, se ha de dimensionar el compresor y

la red para el caso más desfavorable, por lo que se ha de colocar válvulas en cada

toma del aire de servicios para así obtener las presiones deseadas en las

conexiones. Recordar que han de tenerse en cuenta las pérdidas que

proporcionan estas válvulas de conexión.

F

Figura 4.15 Propiedades aire de servicios

Se ha dimensionado el colector principal de la instalación de servicios en 2” y

cada una de las conexiones de mangueras flexibles de las zonas enumeradas en

la tabla 4.4 se han dimensionado en ½”, 13 en total, ya que todas las mangueras

se calcularon para un caudal de 15 Nm3/h, y aunque no todas las conexiones se

utilicen a la vez se considerará para el cálculo con el PIPE FLOW el caso más

desfavorable. Para no hacer un cambio brusco de diámetro entre los tramos de

2” y la toma de ½” se han colocado pequeños tramos de tuberías de 1 ½”

evitando así grandes pérdidas de carga en estas zonas.



La distribución del aire de servicios quedaría:

Figura 4.16 Distribución aire de servicios

Las longitudes de las tuberías de toda la instalación de aire comprimido se

conseguirán del plano de implantación de la planta termosolar (Ver Anexo I),

estimando la colocación de las salidas de aire y sumando a estas distancias las

posibles subidas y bajadas del rack de tuberías.

Otro factor que se ha de tener en cuenta es la estimación de codos y t´s. Por

cada 10m de tubería que se tengan se han de asignar las pérdidas de carga de un

codo, una “t” y 3 válvulas.



Figura 4.17 Pérdidas de carga accesorios

Como se puede ver en la figura 4.17 el PIPE da la opción de elegir los elementos

con pérdida de carga que añadir en los tamos de tuberías. El programa da una

descripción del accesorio así como un valor de K estimado. Con el PIPE FLOW

EXPERT también se podrá añadir cualquier otro accesorio que se desee e

introducir sus propiedades.

Una vez finalizado este proceso se va a proceder a calcular las pérdidas de carga

en la instalación de aire comprimido, para ello antes se fijará la presión del

compresor en 9 barg, para conseguir cumplir el requisito de llegar con 6.20 barg

a calderas; ya que esta presión es la más exigente y la que se está marcando el

diseño de la instalación.



Al simular el sistema se observa que no se suministra la presión suficiente a la

zona de calderas y sin embargo la pérdida de carga en los tramos de tuberías son

razonables, por lo que están bien dimensionados. Se irá aumentando la presión

del compresor y simulando hasta que se consiga obtener un valor superior a 6.20

barg en calderas.

Después de varios intentos finalmente con 10.4 barg se conseguirá llegar a la

zona de calderas con una presión un poco superior a 6.20 barg. Ver figura 4.18

Figura 4.18 Dimensionamiento compresor.

Ya se ha conseguido dimensionar el compresor del sistema de aire comprimido

para un valor máximo de 10.4 barg; llegados a este valor el compresor parará.



A continuación se va mostrar un extracto del report de resultados generado por

el PIPE FLOW EXPERT, donde se verá con más claridad las presiones en los

nodos, las velocidades de los distintos tramos de tubería etc.

Pipe

Name Length Total K Velocity

Entry

Pressure

Exit

Pressure

Entry to

Exit Loss

P1 3 2,12 18,703 10,0965 10,0367 0,0599

P2 6 7,64 18,703 9,8133 9,311 0,5023

P3 6 2,52 18,703 10,0965 9,8133 0,2832

P4 6 2,12 18,703 10,4 10,0965 0,3035

P5 3 2,12 15,159 10,0367 9,9373 0,0993

P6 3 2,52 18,703 9,9373 9,6661 0,2713

P7 35 7,64 18,703 9,6661 7,7565 1,9095

P8 30 0 0,175 7,585 7,5918 -0,0069

P9 20 0 7,368 7,4147 7,3588 0,0559

P10 35 0 3,684 7,3588 7,3341 0,0247

P11 0,5 0,09 7,368 7,3588 7,2692 0,0896

P12 25 0 7,368 7,8272 7,7562 0,0709

P13 70 42,87 3,684 7,8272 7,7554 0,0718

P14 17 9,12 2,205 8,9964 8,998 -0,0016

P15 10 11,34 11,052 7,2081 7,0756 0,1325

P16 10 35,31 14,736 7,7061 7,2081 0,498

P17 135 10,08 14,736 9,311 7,7061 1,6049

P20 70 42,87 7,368 7,7562 7,4486 0,3076

P22 46 10,08 17,637 8,9964 8,3183 0,6781

P23 15 5,04 19,841 9,311 8,9964 0,3146

P24 20 0 19,841 7,585 6,9032 0,6817

P25 100 25,2 7,368 7,7562 7,4147 0,3415

P26 2,5 0 3,859 6,4594 6,4574 0,0019

P27 5 1,14 19,841 6,9032 6,7596 0,1437

P28 105 35,31 3,684 8,998 8,8983 0,0997

P29 5 2,52 0,175 6,7596 6,7581 0,0015

P30 5 0 0,789 7,6919 7,6902 0,0017

P31 3,048 0 0,175 5,8963 5,8948 0,0015

P32 5 2,52 0,175 6,6991 6,6976 0,0015

P33 2,5 0 19,841 6,7596 6,6991 0,0605

P34 10 4,24 17,532 6,9032 6,7258 0,1774

P35 3,048 0 1,228 6,7175 6,7227 -0,0052

P36 20 1,28 1,228 6,632 6,6357 -0,0037

Figura 4.19 Tabla resultados PIPE FLOW EXPERT; compresor 10,4 barg



Sería bastante interesante saber la presión a la que arrancará el compresor, valor

el cual hará falta para el futuro dimensionamiento de los tanques, para ello se

supondrá que todas las tomas de aire de la instalación están cerradas excepto las

de las zonas de calderas; que en esta aplicación está marcando las exigencias del

aire comprimido.

Para ello se cerrarán todas las tuberías en el PIPE FLOW EXPERT. En la figura 4.19

se muestran estas conexiones cerradas con aspas en las tuberías y con un color

más claro.

Figura 4.20 Cierre conexiones excepto calderas

Una vez cerradas todas las conexiones tanto del aire de servicios como del aire

de instrumentación, se calculará la presión necesaria en el tanque de

instrumentos para que a las calderas lleguen como mínimo 6.20 barg.



Figura 4.21 Presión mínima en zona calderas

Tras simular con el PIPE FLOW se observa que debe haber entorno a 6.5 barg de

presión en el tanque, por lo tanto el compresor deberá de empezar a funcionar

un poco antes para evitar posibles faltas de suministro de aire, por ejemplo a los

6.6 barg. Este será el valor de arranque del compresor.

En la siguiente tabla se muestran el report de resultados para un compresor

tarado a 6.6 barg con todas las conexiones cerrada exceptuando las de calderas

Pipe

Name Length Total K Velocity

Entry

Pressure

Exit

Pressure

Entry to

Exit Loss

Friction

Factor

P7 35 7,64 0,765 6,52 6,512 0,008 0,03849

P24 45 0 0,765 6,5119 6,5109 0,001 0,03849

P34 10 4,24 0,765 6,5109 6,5105 0,0004 0,03849

P35 3,048 0 0,263 6,5101 6,5156 -0,0054 0,04722

P36 20 1,28 0 6,5105 6,5159 -0,0054 0

P37 3,048 0 0,263 6,5101 6,5156 -0,0054 0,04722

P39 20 4,24 0,45 6,5105 6,5102 0,0002 0,04039

P40 10 5,04 0,751 6,5102 6,5167 -0,0065 0,042

P49 5 0 0,765 6,512 6,5119 0,0001 0,03849

P67 10 0 0,45 6,5105 6,5105 0,0001 0,04039

P68 20 6,48 0,526 6,5105 6,5101 0,0004 0,04332

P80 5 2,52 0,263 6,5167 6,5152 0,0015 0,04722

P81 3,048 2,52 0,292 6,5167 6,5167 0 0,04261

P90 5 2,52 0,225 6,5167 6,5152 0,0015 0,04841

P95 2,5 0 0,263 6,5167 6,5167 0 0,04722



P96 2,5 0 0,263 6,5167 6,5152 0,0015 0,04722

Closed.

P30 5

Closed.

P50 50

Closed.

P47 5

Closed.

P46 25

Closed.

P52 25

Closed.

P51 1400

Figura 4.22 Tabla resultados PIPE FLOW EXPERT; compresor 6.6 barg

Una vez calculadas las perdidas de carga en la instalación de aire comprimido,

dimensionadas las tuberías y calculado el compresor, se puede continuar con el

diseño de la instalación de aire comprimido.



4.8 Selección de equipos:

4.8.1 Selección del compresor:

El compresor seleccionado para la instalación de aire ha de cumplir los

siguientes parámetros calculados en las secciones anteriores:

• Temperatura de operación: 30ºC

• Temperatura de diseño: 50ºC

• Presión de arranque: 6.6 barg (760 Kpa). No se va a estimar la

presión un 15% más alta tal y como se recomendó en la sección

3.8.1 porque en el diseño de la red con el PIPE FLOW EXPERT se ha

incrementado ya en este porcentaje la cantidad de valvulería por

tramo de tubería.

• Presión de Paro : 10.40 barg (1040 Kpa)

• Presión de diseño: Se tomará como presión de diseño del

compresor 1.2 veces la de operación máxima; en este caso sería

1.2*10,40 barg; por lo tanto la presión de diseño será de 12,5 barg

• Caudal de operación: 547, 7 Nm3/h

• Caudal máximo: será de 1.2 veces es de operación; por tanto 657.3

Nm3/h

4.8.2 Selección de los tanques de instrumentación y servicios:

� Tanque de aire de instrumentos:

Para el cálculo de volumen del tanque de aire de instrumentos se tiene en

cuenta:



1. Tiempo de residencia de 15 minutos.

2. El caudal que llega al tanque de instrumentos después de pasar por las

secadoras será el caudal total del aire de instrumentos menos el 15% ,

factor que se consideró en el punto 4.3.1 para dichos equipos:

Qtanque A.I= 268.17 Nm3/h

3. Presiones de arranque y paro del compresor son 6.6 barg y 10.40 barg

respectivamente.

Se parte de la ecuación de los gases nobles:

TRnVP ⋅⋅=⋅

TR

VPn

⋅⋅= (4.1)

Volumen que ocupa1 mol de gas: 0.0224 m3 (1 bar, 0ºC).

Por lo tanto: 1 mol aire= 0.0248 m3 (1 bar, 25ºC).

Volumen de aire almacenado en el tanque (Va) @1 bar & 25ºC:

molmnVa 30248.0⋅= (4.2)

)(0248.0

)(3

3

molm

mVan = (4.3)

Considerando que la cantidad de masa es invariable independientemente

de las condiciones a las que se encuentre el gas, se puede igualar el

número de moles a condiciones normales (1 bar; 25ºC) con el número de

moles a las distintas condiciones de operación que proporciona el

compresor:



� Arranque del compresor: 6.6 barg 30ºC.

� Paro del compresor: 10.4 barg, 30ºC.

Cantidad de aire en el proceso de despresurización:

(4.4)

Teniendo en cuenta que:

θ⋅=− QaireVsfVsi (4.5)

Siendo θ= tiempo de residencia

Despejando de la ecuación 4.3, quedaría:

molm

Qaire

PfPi

PfPiTRV TQ

AI 30248.0)(

)( θ⋅⋅−

−⋅= (4.6)

Sustituyendo los valores de las incógnitas:

• Presión de arranque y paro para el tanque:

PF= 10.4 barg pasado a Kpag sería 1040 Kpag

PI= 6.60 barg pasado a Kpag sería 660 Kpag

• Tiempo de residencia= 15 minutos

• TªTQ= 30ºC= 303 ºk

• Qaire= 268.17 Nm3/h

• R= KmolmKPa

⋅⋅⋅ − 3310314.8

TQ

AI

TR

PfPiV

molm

mVsfVsi

⋅−

=− )(

0248.0

)(3

3



VAI = ��∗�.��

��.��∗�.��.��

��

� (4.6)

Resolviendo la ecuación 4.6 se obtiene una capacidad del tanque de aire

de instrumentación de VAI = 18 m3

� Tanque de aire de servicios:

Con el fin de respaldar la red de aire de instrumentos, el tanque de aire de

aire de servicios debe estar preparado para abastecer las necesidades del

aire de instrumentos por si se produce algún fallo en este suministro. Por lo

tanto tendrá la misma capacidad que el tanque de aire de instrumentos

Por lo tanto la capacidad del aire de servicios será también de VAs = 18 m3

Una vez calculados los compresores y tanque lo único que se ha de tener en

cuenta para los filtros/posfiltros y secadora, es que estas estén dimensionadas

para el caudal que deben filtra y secar respectivamente.

Los filtros deben estar dimensionadas para el caudal total de la planta, es decir

para 547.7 Nm3/h.

El sistema llevará dos secadoras porque tras la bifurcación del aire de servicios el

aire de instrumentación se separará en dos ramales, estando así las secadoras y

posftiltros por duplicado y dimensionados para el 100% de este caudal de

instrumentación 315.5 Nm3/h.



Tanto los postfiltros como las secadoras trabajaran al igual que los compresores

en una configuración 2 al 100%, para que en caso de fallo o avería no se quede

nunca la planta sin suministro de aire de instrumentación

Los postfiltros al estar situados detrás de las secadoras deberán de filtrar el

caudal de instrumentación menos el 15% consumido por las secadoras, es decir

268.2 Nm3/h.

Ejemplo Red Diseño Aire Comprimido

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