Tuberías de aire comprimido

El secreto está en el diseño de las tuberías de aire comprimido

22 septiembre 2015

Un error común que vemos en los sistemas de aire comprimido, además de malas prácticas en el diseño de tuberías de aire comprimido, es que las tuberías son demasiado pequeñas para el caudal de aire que se desea. Esto no se limita a la tubería de interconexión desde la descarga del compresor hasta el secador y hasta la cabecera. También se aplica a las líneas de distribución que transportan aire a las áreas de producción y dentro del equipo que allí se encuentra. Es conocido que unas tuberías de aire comprimido más pequeñas restringen el flujo y reducen la presión de descarga, quitándole así al usuario “potencia costosa” en el aire comprimido. Las tuberías pequeñas exacerban malas prácticas en las tuberías aumentando la velocidad y la contrapresión inducida por la turbulencia.

El tamaño de la tubería y el diseño de la disposición son las variables más importantes al trasladar aire desde el compresor hasta el punto de utilización. Los sistemas mal diseñados no solo consumen una cantidad de dinero significativa en energía, sino también degradan la productividad y la calidad. ¿Cómo se puede obtener una tubería con el tamaño correcto para el aire comprimido? Usted puede preguntarle al instalador de sistemas de aire comprimido, pero la respuesta probablemente será: “Como lo hacemos siempre”, y, a menudo eso está fuera de lugar.

Un enfoque común que utilizan algunos instaladores es emparejar la conexión de descarga de las piezas intermedias del equipo (filtro, secador, regulador o compresor). Pensemos  por un momento en un compresor de 150 caballos de fuerza, de dos etapas, de doble efecto y refrigerado por agua que suministra alrededor de 750 cfm a 100 psig a través de un puerto de salida de 6 pulgadas. Por otro lado la mayoría de los compresores de tornillo rotativo de 150 caballos de fuerza, ofrecen el mismo volumen y presión a través de una conexión de 2 pulgadas o 3 pulgadas. De tal manera que ¿cuál es el compresor adecuado? Es obvio cuál es el más económico, pero el tamaño del puerto de salida no sirve como guía para seleccionar tamaño de la tubería.

Diagramas y gráficos

Muchas personas utilizan gráficos que muestran  caída de presión estándar en función del  diámetro de la tubería y de los accesorios, los cuales establecen el tamaño de la tubería para lo que se conoce como una caída de presión aceptable. Esta práctica también puede ser engañosa porque los gráficos no pueden acomodar la velocidad y la turbulencia inducida por el fluido. Piense en ello por un momento. Según los gráficos, un corto recorrido en una tubería de un pequeño diámetro exhibe una baja caída de presión total por fricción, pero la alta velocidad provoca una caída bastante grande de presión ocasionada por las turbulencias. Entonces, está la cuestión sobre lo que significa realmente una caída de presión aceptable. La respuesta a esta pregunta muchas veces no es apoyada por los datos, como el costo de energía eléctrica en la planta para producir un psig adicional.

Hemos auditado a muchas plantas durante los últimos años y nos pareció que el costo unitario de aire para los compresores de desplazamiento positivo va desde varios cientos de euro por psig al año hasta varios miles de euros por psig anuales. En los costos energéticos actuales, usted no desea que la tubería sea una fuente de caída en la presión.

Tomar decisiones a ciegas

No conocer el costo energético de una caída de presión en función del tamaño de la tubería puede hacer que se tome una decisión a ciegas. Desafortunadamente, esto es lo que encontramos en la mayoría de los sistemas de tuberías de aire comprimido que se instalaron durante los 30 años anteriores. Los sistemas más antiguos que fueron diseñados con detenimiento normalmente se encuentran justo sobre el límite, excepto si han sido modificados después de su instalación original.

Algunos pueden considerar que dimensionar las tuberías es un arte perdido, pero nosotros vemos este tema como una pérdida de atención al detalle, a los principios básicos en tuberías de aire comprimido y a no seguir las directrices. Siga leyendo este post y aprenda como dimensionar la tubería de aire utilizando la velocidad, la cual, cuando se combina con prácticas apropiadas en el diseño de tuberías, garantiza un sistema de distribución de aire comprimido eficiente. Como consultores y expertos en la solución de problemas en los sistemas de aire comprimido, nosotros utilizamos estas directrices para diseñar nuevos sistemas de tuberías de aire comprimido y para analizar el desempeño del sistema existente y las oportunidades que hay para mejorarlo.

Interconexiones y cabeceras

La tubería de interconexión es un elemento crítico que debe suministrar aire a los colectores de distribución con poca pérdida de presión, si la hubiere. Esto no solo se trata de una cuestión de energía. También garantiza que los controles de capacidad tengan suficiente capacidad efectiva de almacenamiento para permitirles reaccionar a la demanda real.

Las principales cabeceras de distribución no solo trasladan aire por toda la planta, sino que también proporcionan el almacenamiento local adecuado que garantiza que la alimentación del proceso posea el flujo y la presión de entrada adecuada. El sistema principal de encabezado representa un almacenamiento que soporta la banda de presión operativa para el control de capacidad. Usted desea que la caída de presión entre la descarga del compresor y el punto de uso sea menor que la banda normal de control de funcionamiento (10 psig máximo).

Los objetivos

El objetivo en dimensionar las tuberías de interconexión es transportar el caudal máximo esperado desde la descarga del compresor, a través de los secadores, filtros y receptores, hasta la cabecera principal de distribución con una caída mínima de presión. Los diseños contemporáneos consideran que el verdadero costo del aire comprimido debe tener como objetivo una caída de presión total de menos de 3 psi.

Más allá de este punto, el objetivo para la cabecera principal es transportar el flujo máximo previsto al área de producción y proporcionar un volumen de suministro aceptable para las caídas y las líneas de alimentación. Una vez más, los diseños modernos consideran que una caída de presión de cabecera es aceptable en 0 psi.

Finalmente, para las líneas de alimentación, el objetivo es proporcionar el flujo máximo esperado a la estación de trabajo o al proceso con una mínima o ninguna pérdida de presión. Una vez más, el tamaño de la tubería debe ser dimensionada para acercarse a una pérdida igual a cero. Por supuesto, los controles, reguladores, actuadores y motores de aire en la estación de trabajo o proceso tienen requerimientos de presión de entrada mínima para poder llevar a cabo sus funciones. En muchas plantas, el tamaño de la tubería de alimentación de una estación de trabajo a menudo es seleccionada por personas que no conocen la demanda de caudal y no saben cómo dimensionar la tubería.

En nuestra opinión, la tubería nueva del sistema de aire debe ser dimensionada de acuerdo con estas directrices. Para un sistema que no cumple con los criterios, el costo de la modificación debe verse compensado en comparación con los ahorros de energía y las mejoras en la productividad y la calidad.

Obviamente, cuanto menor es la caída de presión en el transporte de aire, es inferior la entrada de energía del sistema. Una presión más baja en la cabecera también reduce el flujo de aire no regulado (incluyendo las fugas) en aproximadamente 1% por psi que se reduce en la presión.

Eliminar la caída de presión

La mayoría de los gráficos muestran una caída de presión por fricción para un flujo dado a una presión constante. La fricción en la pared causa la mayor parte de esta pérdida, lo cual normalmente se denomina como una caída de presión por 100 pies de tubería. Gráficos similares muestran la pérdida de presión para los accesorios en términos de longitud adicional de tubería. Cuando se agrega a la longitud de la tubería recta, la suma se denomina longitud total equivalente. Tales gráficos reflejan los cálculos básicos para la pérdida de presión, lo cual incluye:

  • Densidad de aire a una temperatura y presión dada.
  • Caudal.
  • Velocidad en las condiciones de la tuberí
  • El numero Reynolds.
  • Otros factores, incluyendo un factor de fricción según el tamaño y tipo de tuberí

Los cálculos y datos del gráfico ayudan a identificar solamente la caída de presión mínima probable. La escala y la desigualdad interna afectan drásticamente la resistencia de la tubería al caudal (pérdida por fricción). La resistencia aumenta con el tiempo a medida que las paredes internas se oxidan, se pelan y acumulan más suciedad. Esto es particularmente cierto para las tuberías de hierro negro.

La caída en la presión es proporcional al cuadrado de la velocidad. Cualquier demanda intermitente y de gran volumen produce una caída dramática de presión durante los períodos pico. Ignorar este hecho afecta a todo el proceso conectado a la cabecera.

Para un tamaño de tubería dado:

  • A presión constante, mayor será el flujo, y mayor será la pérdida por pie de tuberí
  • A una velocidad de flujo constante, menor es la presión de entrada, y mayor es la pérdida por pie de tuberí

Bajo cualquier condición, una tubería lisa (cobre, acero inoxidable) muestra perdidas inferiores por fricción.

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Velocidad del aire

La idea más preciada en el diseño y disposición de las tuberías de aire comprimido es la velocidad del aire. La velocidad excesiva puede ser una causa fundamental en la contrapresión, señales de control errático, turbulencia y caída de presión por turbulencias.

Se sugiere que una velocidad de 20 fps o inferior evita transportar humedad y pasar suciedad por los drenajes y en los controles. Una velocidad mayor de 30 fps es suficiente para transportar agua y desperdicios dentro de la corriente de aire. Por lo tanto, la velocidad recomendada en el diseño de tuberías para la interconexión y las cabeceras principales es de 20 fps o menos, y nunca debe exceder 30 fps. Las pruebas de campo revelan que, en estas condiciones, la turbulencia en la corriente de aire es, por lo general, insignificante. Las caídas en la línea, las líneas de alimentación o los ramales de menos de 50 pies funcionan bien a una velocidad de 30 fps, pero aquí la velocidad no debería exceder los 50 fps.

Realizar los cálculos

Primero, fíjese en la velocidad en las condiciones máximas de flujo previsto utilizando la siguiente ecuación:

FORMULA

Donde V = velocidad del aire (en pies/s)

Q = tasa volumétrica del flujo (en cfm)

D = diámetro interno del conducto (en pulgadas)

Aunque este método para determinar el tamaño mínimo de la tubería sobre la base de la velocidad del aire es fácil, también debe tomarse en cuenta que el volumen de aire comprimido se expresa en pies cúbicos por minuto de aire libre, que es el volumen de aire en condiciones atmosféricas ambientales, no el volumen comprimido.

Para ajustar la velocidad del flujo volumétrico del aire de entrada a las condiciones reales de los ductos, usted deberá dividir el volumen de aire libre entre la relación de la compresión utilizando la siguiente ecuación:

CR = (P+Pa)/Pa (Ecuación 2)

Donde P = presión en la línea (en psig)

Pa = presión atmosférica promedio a su elevación (en psi)

Existen tablas que muestra la relación de compresión como una función de presión manométrica para una ubicación a nivel del mar, donde la presión atmosférica es de 14,7 psi. A mayor altura, la presión atmosférica promedio cae y aumenta la relación de la compresión. Por ejemplo, a una altura de 7.000 pies, existe una presión atmosférica promedio de aproximadamente 11 psi. A 100 psig, la relación de compresión es igual a 10 (es decir, 111/11).

Para determinar la velocidad de una tubería en condiciones, simplemente divida la velocidad dada en la Ecuación 1 entre la relación de compresión dada en la Ecuación 2. Después de seleccionar el tamaño mínimo de la tubería sobre la base de la velocidad, verifique cualquier medida a lo largo para ver si hay caídas de presión excesivas utilizando un gráfico de caída apropiado. Por ejemplo, una velocidad de 25 fps en una tubería de hierro negro representa aproximadamente 0,25 psi de pérdida por 100 pies de longitud. Aunque esto se encuentra un poco por encima del mínimo recomendado de 20 fps y, dependiendo de la disposición, probablemente sería aceptable desde un punto de vista turbulencia, una pérdida alta de fricción total puede establecer el uso de una tubería más grande.

Esto puede parecer un poco complicado al principio, pero es la forma más precisa de evitar problemas al dimensionar las tuberías de aire comprimido. Una vez que la domine, vera que es fácil de usar.

Después de seleccionar con detenimiento el tamaño del conducto para eliminar las pérdidas innecesarias, asegúrese de prestar la misma atención a los elementos intermedios como las desconexiones rápidas, reguladores, filtros, controles, accesorios, número de caídas desde una cabecera dada y el número de conexiones por cabecera, de manera que no se pierdan las ganancias obtenidas con la tubería.  El buen desempeño de las tuberías no se da al azar; ello requiere de una planificación.

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