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DIVISIÓN DECIENCIAS BÁSICAS E INGENIERÍA

DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA DE PROCESOS E HIDRÁULICA

“EVALUACIÓN DE OPORTUNIDADES DE AHORRO DE ENERGÍA EN SISTEMAS DE AIRE COMPRIMIDO

MEDIANTE EL PROGRAMA AIRMASTER+”

SEMINARIO DE PROYECTOS QUE PRESENTA EL

ALUMNO: ADAME GONZALÉZ OMAR ELIACINMATRICULA: 99217499

PARA OBTENER EL GRADO DE:INGENIERO EN ENERGÍA

ASESOR: DR. JUAN JOSE AMBRIZ GARCIAASESOR: DR. JUAN JOSE AMBRIZ GARCIA

MIÉRCOLES, 07 DE FEBRERO DE 2007MIÉRCOLES, 07 DE FEBRERO DE 2007

UNIVERSIDAD AUTONOMA METROPOLITANA – IZTAPALAPAINGENIERIA EN ENERGIA

INDICE:INDICE:

OBJETIVOS………………………………………………………….. 5

1. ANTECEDENTES Y JUSTIFICACIÓN………………………… 6

2. ASPECTOS BÁSICOS…………………………………………… 7

2.1. Aire…………………………………………………………………………………………………………….……… 72.2. Presión atmosférica…………………………………………………………………………………………….. 82.3. Humedad…………………………………………………………………………………………………………... 82.4. Principios de operación de un compresor (tornillo)…………………………………………………..9

3. DESCRIPCIÓN DE UN SISTEMA DE AIRE COMPRIMIDO…………………………………………………..11

3.1. Tipos de sistemas de distribución de aire comprimido……………………………………………..113.2. Líneas secundarias de distribución…………………………………………………………………………143.3. Material de las tuberías………………………………………………………………………………………..16

4. TIPOS DE COMPRESORES…………………………………...18

4.1. Desplazamiento positivo……………………………………………………………………………………….184.1.1. Reciprocantes……………………………………………………………………………………………..……194.1.1.1. Componentes………………………………………………………………………………………………..204.1.2. Rotatorios………………………………………………………………………………………………………..234.1.3. Tornillo…………………………………………………………………………………………………………...234.1.3.1. Componentes………………………………………………………………………………………..………254.1.4. Anillo liquido………………………………………………………………………………………………….…294.1.5. Paletas deslizantes………………………………………………………………………………………..….294.1.6. Lóbulos………………………………………………………………………………………………………..….304.1.7. Diafragma…………………………………………………………………………………………………..……304.2. Dinámicos…………………………………………………………………………………………………….…….314.2.1. Centrífugos……………………………………………………………………………………………………...324.2.2. Axiales…………………………………………………………………………………………….………………

.324.3. Ventajas y desventajas de algunos compresores…………………………………………..………..33

5. FILTROS………………………………………………………….36

5.1. Eficiencia de energía en filtros………………………………………………………………………………38

6. SECADORES…………………………………………………..…39

SEMINARIO DE PROYECTOS 2


6.1. Secadores por refrigeración……………………………………………………………………….…………40

7. ALMACENAMIENTO……………………………………………41

7.1. Cálculo de un tanque de almacenamiento……………………………………………….…..…………437.2. Consideraciones adicionales……………………………………………………………………….…………43

8. ALTERNATIVAS DE AHORRO DE ENERGÍA………..…….44

8.1. Selección del compresor adecuado…………………………………………………………..……….…..448.2. Caída de presión del aire………………………………………………………………………………………828.3. Fugas en los sistemas de aire comprimido……………………………………………………………..518.4. Reducción de la temperatura de succión…………………………………………………….………….548.5. Sistemas de control para aire comprimido………………………………………………….…………..55

9. PROGRAMA AIRMASTER+…………………………….……..58

9.1. Historia……………………………………………………………………………………………….………….….589.2. Características……………………………………………………………………………………………….……589.3. Requerimientos mínimos para el programa AIRMaster+………………………….……….….…..599.4. Módulos del AIRMaster+…………………………………………………………………..………….….…..609.4.1. Módulo “Company”……………………………………………………………………….……….………..609.4.2. Módulo “Utility”……………………………………………………………………………………...….……629.4.3. Módulo “Facility”……………………………………………………………………………..…….…….….659.5.4. Módulo “System”………………………………………………………………………………….…..……..689.5.5. Módulo “Compressor”……………………………………………………………………………….……..709.5.6. Módulo del “perfil”…………………………………………………………………………………….….….749.5.7. Módulo de “Medidas de eficiencia energética”……………………………………………...…..…77

10. APLICACIÓN A UN CASO REAL……………………………82

10.1. Descripción de la empresa……………………………………………………………………….…………8210.2. Descripción del proceso………………………………………………………………………….………….8310.3. Situación actual del sistema de aire comprimido………………………………………….……….8410.4. Mediciones eléctricas por compresor………………………………………………………….……….9110.4.1. Compresor A………………………………………………………………………………………………….9110.4.2. Compresor B…………………………………………………………………………………………..……..9210.4.3. Compresor C……………………………………………………………………………………….….……..9410.5. Consumo de energía y costo de operación…………………………………………………..………95

11. EVALUACIÓN DE ALTERNATIVAS DE AHORRO……………………………………………….….…97

11.1. Reducción de fugas de aire………………………………………………………………………..………9711.1.2. Resultados……………………………………………………………………………..……………………..97



12. CONCLUSIONES………………………………………….…..99

13. REFERENCIAS………………………………………..……..100

ANEXO………………………………………………………….…..101



OBJETIVOS:OBJETIVOS:

1. Conocer el funcionamiento de los sistemas de aire comprimido y los componentes.

2. Identificar las medidas de ahorro de energía aplicables a sistemas de aire comprimido.

3. Manejar de manera eficiente el programa AirMaster+ para poder evaluar las medidas de ahorro de energía propuestas.

4. Evaluar las alternativas de ahorro de energía de un sistema de aire comprimido en el programa AirMaster+.



1. ANTECEDENTES Y JUSTIFICACIÓN.1. ANTECEDENTES Y JUSTIFICACIÓN.

El aire comprimido se utiliza en la mayor parte de la industria y se le considera un servicio importante. Casi toda planta industrial, desde una pequeña máquina en una tienda hasta un inmenso molino de pulpa y papel, tiene algún tipo de sistema de aire comprimido. En muchos casos, los sistemas de aire comprimido son tan vitales que la instalación no podría operar sin ellos. Los sistemas de aire comprimido en las plantas pueden variar de capacidad, desde una pequeña unidad de 5 hp a enormes sistemas con más de 50,000 hp.

En muchas instalaciones industriales, los compresores de aire usan más electricidad que cualquier otro equipo. Las ineficiencias en sistemas de aire comprimido pueden ser importantes. Los ahorros de los sistemas mejorados pueden alcanzar de 20% a 50% o más en el consumo de energía eléctrica. Para muchas instalaciones esto equivale a gran cantidad de dinero en ahorros potenciales, dependiendo del uso dado al sistema. Una administración apropiada del sistema de aire comprimido puede ahorrar energía, reducir su mantenimiento, disminuir el tiempo de uso, incrementar el producción y mejorar su calidad.

Los sistemas de aire comprimido se dividen en dos partes, la primera es el área de generación, la cual incluye al compresor y el tratamiento del aire y la segunda es la demanda, la cual incluye la distribución, almacenamiento y uso final en los equipos. Una operación adecuada en el lado de generación dará como resultado un aire limpio que se entregará de manera estable. Una administración adecuada en el lado de la demanda dará como resultado la reducción de perdidas de aire y un uso adecuado de las aplicaciones. Por lo tanto, teniendo una operación y una administración adecuada del sistema de aire comprimido se podrá obtener un sistema óptimo.



2. ASPECTOS BÁSICOS.2. ASPECTOS BÁSICOS.

2.1 Aire.

Se denomina aire a la combinación de gases que forma la atmósfera terrestre, sujetos alrededor de la Tierra por la fuerza de gravedad. El aire está compuesto en proporciones ligeramente variables por sustancias tales como el nitrógeno (78%), oxígeno (21%), vapor de agua (variable entre 0-7%), ozono, dióxido de carbono, hidrógeno y algunos gases nobles como se muestra en la tabla 1.

Tabla 1. Componentes del aire.

Componente Concentración aproximadaNitrógeno (N) 78.03% en volumenOxígeno (O) 20.99% en volumen

Dióxido de Carbono (CO2) 0.03% en volumenArgón (Ar) 0.94% en volumenNeón (Ne) 0.00123% en volumenHelio (He) 0.0004% en volumen

Criptón (Kr) 0.00005% en volumenXenón (Xe) 0.000006% en volumen

Hidrógeno (H) 0.01% en volumenMetano (CH4) 0.0002% en volumen

Óxido nitroso (N2O) 0.00005% en volumenVapor de Agua (H2O) Variable

Ozono (O3) VariablePartículas Variable

La contaminación del aire es uno de los problemas ambientales más importantes, y es resultado de las actividades del hombre. Las causas que originan esta contaminación son diversas, pero el mayor índice es provocado por las actividades industriales, comerciales, domesticas y agropecuarias.

Los principales contaminantes del aire se clasifican en:

Primarios: son los que permanecen en la atmósfera tal y como fueron emitidos por la fuente. Para fines de evaluación de la calidad del aire se consideran: óxidos de azufre, monóxido de carbono, óxido de nitrógeno, hidrocarburos y partículas.



Secundarios: son los que han estado sujetos a cambios químicos, o bien, son el producto de la reacción de dos o más contaminantes primarios en la atmósfera. Entre ellos destacan oxidantes fotoquímicos y algunos radicales de corta existencia como el ozono (O3).

A nivel nacional, la contaminación atmosférica se limita a las zonas de alta densidad demográfica o industrial. Las emisiones anuales de contaminantes en el país son superiores a 16 millones de toneladas. En la ciudad de México se genera 23.6% de dichas emisiones, en Guadalajara el 3.5%, y en Monterrey el 3%. Los otros centros industriales del país generan el 70% restante.

Para determinar la concentración de una sustancia química en un volumen se utilizan las partes por millón de partes iguales (PPM). Cada millonésima parte de este volumen, correspondiente a la sustancia de nuestro interés, se considera una parte por millón de la sustancia. Las PPM se utilizan para determinar concentraciones muy pequeñas de gases en la atmósfera.

2.2 Presión atmosférica.

La presión atmosférica es la presión del aire sobre la superficie terrestre. La atmósfera tiene una presión media de 1013 milibares (o hectopascales) al nivel del mar. La medida de presión atmosférica del Sistema Internacional de Unidades (S.I.) es el Newton por metro cuadrado (N/m2) o Pascal (Pa). La presión atmosférica a nivel del mar en unidades internacionales es 101325 N/m2.

2.3 Humedad.

Se denomina humedad ambiental a la cantidad de vapor de agua presente en el aire. Se puede expresar de forma absoluta, o de forma relativa o grado de humedad.

La humedad absoluta es la cantidad de vapor de agua presente en el aire. La humedad relativa es la humedad que contiene una masa de aire, en relación con la máxima humedad absoluta que podría admitir sin producirse condensación, conservando las mismas condiciones de temperatura y presión atmosférica. Esta es la forma más habitual de expresar la humedad ambiental. Si una masa de aire tiene el 50% de agua respecto a la máxima que podría admitir, su humedad relativa es del 50%.

Como la capacidad del aire para absorber humedad varía con la temperatura, la humedad relativa aumenta cuando desciende la temperatura, aunque la humedad absoluta se mantenga invariable.



2.4 Principios de operación de un compresor (tipo tornillo).

1. Cuando las cavidades de ambos tornillos pasan por la puerta de admisión (que se encuentra normalmente en el extremo superior de la carcasa), crean un vacío con lo que induce al gas a llenar la cámara

Figura 1. Succión.

2. Al continuar girando los tornillos, la puerta de admisión es sellada por las partes sólidas de los tornillos que estén pasando por ella. Esto causa que el gas quede atrapado entre la carcasa y las cavidades de los tornillos

Figura 2. Aislamiento.

3. Los tornillos continúan girando, pero debido a que un tornillo gira a mayor velocidad que el otro, los lóbulos de ambos tornillos se entrelazan reduciendo el volumen dentro de las cavidades y aumentando la presión del gas atrapado entre ellas.



Figura 3. Compresión.

4. El ciclo llega a completarse, cuando el gas que está comprimido es expelido por la puerta de descarga (que normalmente se encuentra en el extremo inferior de la carcasa).

Figura 4. Descarga.



33.. DESCRIPCIÓN DE UN SISTEMA DE AIRE COMPRIMIDO.DESCRIPCIÓN DE UN SISTEMA DE AIRE COMPRIMIDO.

Un compresor es una máquina que se utiliza para aumentar la presión de un gas. Los primeros compresores eran fuelles usados en los hornos metalúrgicos para intensificar el calor. El primer compresor industrial era una máquina reciprocante de un pistón movida por una rueda de agua. Un sistema de aire comprimido moderno está compuesto de muchos subsistemas y subcomponentes. La mayoría de los subsistemas incluye motor, controles, equipo de tratamiento, accesorios y el sistema de distribución.

El compresor es el dispositivo mecánico que toma aire del medio ambiente y eleva su presión. El motor es el que le da movimiento al compresor. Los controladores sirven para regular la cantidad de aire comprimido que se produce. El equipo de tratamiento quita los contaminantes del aire comprimido, y los accesorios sirven para que el sistema opere de manera adecuada. Los sistemas de distribución son análogos a los de una red eléctrica, el aire comprimido se transporta donde se necesita. Los tanques de almacenamiento del aire comprimido también influyen en el desempeño y la eficiencia del sistema.

3.1 Tipos de sistemas de distribución de aire comprimido.

Se pueden identificar dos tipos básicos de sistemas de distribución de aire comprimido:

• Sistema de distribución ramificado.• Sistema de distribución en anillo.

Sistema de distribución ramificado.

En éste, a partir del cabezal principal se generan los ramales secundarios hacia los distintos puntos de consumo. En esencia, es igual a un sistema de ductos de distribución de aire acondicionado. Como desventaja inherente a este tipo de sistemas está el desbalanceo de la carga que causa una mala distribución del aire, por lo que será necesario tomar en cuenta este efecto para diseñar con mayor cuidado el tamaño de las líneas de distribución. La caída total de presión del sistema se determina tomando en cuenta el punto más alejado de consumo.



Generador

Figura 5. Sistema de distribución ramificado.

En el tendido de las tuberías debe cuidarse que la tubería tenga un descenso en el sentido de la corriente del 1 al 2% debido a la presencia de condensado. Las derivaciones para las tomas de aire en el caso de que las tuberías estén tendidas horizontalmente, se dispondrán siempre en la parte superior del tubo, evitando así que el agua condensada que posiblemente se encuentre en la tubería principal llegue a través de las tomas. Para recoger y vaciar el agua condensada se dispone de tuberías especiales en la parte inferior de la principal.

Sistema de distribución en anillo.

En este sistema, para el suministro de aire a los usuarios finales, se utiliza uno o varios lazos cerrados, con lo que se garantiza que la presión en los diversos puntos de consumo será más uniforme en cualquier condición de carga del sistema, al provenir el aire para cada equipo o herramienta desde dos puntos. Evidentemente, se incrementa la cantidad de tubería y se disminuye la capacidad de cada línea, lo que produce caídas de presión más bajas.

Generador

Figura 6. Sistema de distribución en anillo

En la mayoría de los casos, la red principal se monta en circuito cerrado. Desde la tubería principal se instalan las uniones de derivación.



Con este tipo de montaje de la red de aire comprimido se obtiene una alimentación uniforme cuando el consumo de aire es alto. El aire puede pasar en dos direcciones.

Figura 7. Sistema de distribución cerrado.

En la red cerrada con interconexiones hay un circuito cerrado, que permite trabajar en cualquier sitio con aire, mediante las conexiones longitudinales y transversales de la tubería de aire comprimido.

Ciertas tuberías de aire comprimido pueden ser bloqueadas mediante válvulas de cierre si no se necesitan o si hay que separarlas para efectuar reparaciones y trabajos de mantenimiento. También existe la posibilidad de comprobar faltas de estanqueidad.

Independientemente del sistema que se elija, desde el punto de vista tecnológico y económico debe tenerse en cuenta que en un sistema de tuberías existen soluciones múltiples y que existe un compromiso tal que a mayores diámetros de tubería se tienen costos de instalación más elevados y al mismo tiempo, a menores consumos de energía en el compresor o compresores; a diámetros más pequeños ocurre el efecto contrario. No se puede determinar a priori cuál es la condición de costo total mínimo.

En el diseño deberá evitarse que existan líneas que sean muy complicadas, particularmente las que llegan a equipos, además, éstas deberán estar plenamente justificados ya que producen pérdidas importantes de presión.

Lo anterior se refiere en particular al uso de secadores de aire, el que sólo estará totalmente justificado cuando no se puedan lograr las condiciones de humedad por otro medio.

En una red de distribución de 100 Psig (6.89 bar), dispuesta de manera optima, no deberá existir una caída de presión superior a 10% entre el compresor y el punto de utilización más lejano.



3.2 Líneas secundarias de distribución

Las líneas secundarias de distribución, son las interconexiones entre la línea principal de distribución y las líneas de servicio.

Figura 8. Línea primaria y secundaria de un sistema de distribución.

En el diseño de estas líneas secundarias, se deben de tomar todas las consideraciones recomendadas para el diseño de la línea principal de distribución.

Se recomienda que la caída de presión en las líneas secundarias de distribución no sea superior a 1.5 psig. así como dotarlas de una inclinación 0.5% en la dirección del flujo y válvulas de drenaje en cada levantamiento.

Figura 9. Inclinación de una línea de distribución.

Líneas de servicio

Las líneas de servicio, son las tuberías que interconectan las herramientas o los dispositivos que utilizan el aire comprimido, con las líneas secundarias de distribución. Estas son las últimas secciones de la instalación de una red de distribución de aire comprimido, deben ser



lo más cortas posibles y se recomiendan que sean conectadas por la parte superior a las líneas secundarias de distribución.

En esta sección se instalarán todos los accesorios recomendados tales como: filtros de línea, reguladores, lubricadores, válvulas, acoplamientos rápidos etc.

Se recomienda que la caída de presión en estas líneas no sea superior a 2 Psig.

Figura 10. Línea secundaria de distribución.

Algunas medidas prácticas a adoptar en este sentido son:

• Evitar las reducciones grandes en la sección de la red de distribución, ya que dan lugar a pérdidas de presión.

• Las salidas de la red deben realizarse siempre desde la parte superior del colector y no en línea recta hacia abajo.

• Poner especial atención en los acoplamientos, mangueras y otros accesorios, dimensionándolos adecuadamente, ya que en ellos se producen normalmente las caídas de presión más importantes.

• Las mangueras de conexión a herramientas deben ser suaves, flexibles y lo más cortas posible, tratando de no exceder una longitud de 5 metros.

• A fin de evitar pérdidas de presión excesivas pueden diseñarse las líneas de distribución de tal forma que la velocidad de circulación de aire sea relativamente baja. Para colectores principales puede considerase una velocidad máxima de 6 m/s. En ramales cortos (menores a 15 metros) pueden admitirse velocidades más altas.



3.3. Material de las tuberías

Para la elección de los materiales de las tuberías se tienen diversas posibilidades:

• Cobre • Tubo de acero negro• Acero galvanizado• Aluminio• Plástico

Las tuberías deben poderse desarmar fácilmente, ser resistentes a la corrosión y de precio adecuado.

Las tuberías que se instalan de modo permanente se montan preferentemente con uniones soldadas. Estas tuberías así unidas son herméticas y además de precio económico. Un inconveniente de estas uniones consiste en que al soldar se producen residuos que deben retirarse de las tuberías. De la costura de soldadura se desprenden, también, fragmentos de oxidación; por eso, conviene y es necesario incorporar una unidad de mantenimiento.

En las tuberías de acero galvanizado, los empalmes de rosca no siempre son totalmente herméticos. La resistencia a la corrosión de las tuberías de acero no es mucho mejor que la del acero negro. Las superficies desnudas también se oxidan, por lo que también en este caso es importante prever el mantenimiento. Para casos especiales se pueden emplear tuberías de cobre o plástico.

Derivaciones a usuarios

Los tubos flexibles de goma solamente han de emplearse en aquellos casos en que se exija una flexibilidad en la tubería y no sea posible instalar tuberías de plástico por los esfuerzos mecánicos existentes. Son más caros y no son tan manipulables como las tuberías de plástico.

Las tuberías de polietileno y poliamida se utilizan cada vez más en la actualidad para unir equipos de maquinaria. Con conectores rápidos se pueden tender de forma rápida, sencilla y económica.

Los componentes principales de los sistemas de aire comprimido se pueden resumir en tres: el compresor o compresores como elementos que se encargan de producir el aire con las características y cantidades necesarias para la aplicación, el sistema de distribución de aire, y los elementos y accesorios necesarios para aprovecharlos. A estos últimos se les conoce como usuarios finales.



Figura 11. Sistema de aire comprimido.



4. TIPOS DE COMPRESORES.4. TIPOS DE COMPRESORES.

No existe un criterio único a partir del cual se pueda hacer una clasificación general de los compresores. Para hacerlo, se toman en cuenta varios factores: el incremento de presión que producen, la forma física fundamental de como efectúan la compresión, la trayectoria que siguen las partículas gaseosas en el interior de la máquina, etc. A continuación se presentan los principales tipos de compresores de acuerdo con la forma en que realizan la compresión de los gases.

Figura 12. Clasificación de los tipos de compresores.

4.1. Desplazamiento positivo.

Las unidades de desplazamiento positivo son aquellas en las que volúmenes sucesivos de gas se confinan dentro de un espacio cerrado y se elevan a presiones mayores, aunque también se puede producir el incremento de presión por contraflujo (contrapresión) en la descarga del compresor, pueden ser del tipo alternativo o bien de tipo rotatorio. Este tipo de máquinas pueden producir la compresión de gas libre de aceite o no, dependiendo del diseño del compresor.

En términos generales, todos los compresores de desplazamiento positivo son máquinas de elevada eficiencia volumétrica que generan altas presiones; sin embargo, su capacidad se ve limitada por su desplazamiento, y, en el caso de los alternativos (reciprocantes) por la máxima velocidad permisible del émbolo en el cilindro, al estar ésta ligada a las pérdidas por fricción en la máquina. Se denominan también como máquinas de flujo constante y presión variable.



El campo de aplicación de estas máquinas es amplio ya que comprende la compresión de gases en ciclos de refrigeración, la compresión de gases en la industria petroquímica, y la compresión de aire, entre otras.

4.1.1. Reciprocantes.

Los compresores alternativos (reciprocantes) son máquinas de desplazamiento positivo en las que un pistón o émbolo con movimiento reciprocante dentro de un cilindro, comprime y desaloja al gas. Por sus características pueden construirse de simple o doble efecto y con pistones lubricados o no lubricados. Entre estos últimos se encuentran los compresores no lubricados con anillos de teflón y los compresores de laberinto.

Figura 13. Pistón de un compresor alternativo.

El compresor alternativo es uno de los más ampliamente utilizados en la compresión de gases ya que cubre una gama amplia de tamaños, desde pequeñas unidades de unos cuantos Hp, hasta unidades de cientos de Hp. Las elevadas presiones requeridas por la industria petroquímica se producen en este tipo de máquina.

El campo de aplicación de este tipo de compresores cubre la refrigeración doméstica e industrial, la compresión de aire, la licuefacción de gases y la compresión de gases en la industria de procesos, entre otras.



4.1.1.1. Componentes.

Los componentes más importantes de los compresores reciprocantes son los siguientes:

Cilindros.

El cilindro es la cámara donde se efectúa la compresión del aire.

Pistón.

Es el elemento desplazador del aire. Gracias a él, se hace la reducción del volumen del aire y se logra el incremento de presión. En el caso de compresores de un solo efecto o acción, el pistón está acoplado directamente a una biela. Cuando se tiene doble efecto, se cuenta con un vástago que se acopla a una cruceta, donde se tiene el acoplamiento a la biela. En algunos diseños de compresores no lubricados, tanto este elemento como la cámara, tienen un ranurado de distinto paso “en cámara y pistón”, para lograr el sellado de laberinto en el compresor; en los restantes, se tienen anillos para el sellado, tanto en el caso de compresores lubricados, como no lubricados.

Anillos de sello y desgaste.

Los anillos o segmentos de pistón son parte importante para el sellado de la cámara de compresión. En el caso de compresores no lubricados, se usan anillos más anchos con materiales especiales como el fluorocarbono (TFE) y el politetrafluoretileno (PTFE), con los que se logra el sellado. Además de los anillos de sello, se cuenta con anillos de desgaste o anillos guía, que cargan al pistón. En los compresores lubricados, además de los anillos de sello se tienen anillos para el barrido del aceite.

Válvulas de aspiración y descarga.

Las válvulas de aspiración y descarga, junto con los componentes anteriores, forman la unidad o compresor básico. Las válvulas de un compresor son auto accionables, es decir, se abren y cierran por efecto de la presión manométrica en el cilindro. Se tienen válvulas de canal y válvulas de anillo.

Bolsas de claro o desahogo.

Las bolsas de claro son compartimientos alojados en el compresor que tienen como fin proporcionar espacio muerto adicional para lograr un control en su capacidad. En el caso de un compresor de doble efecto, el uso de las bolsas de claro, que puede hacerse de forma manual o automática, posibilita el control de la capacidad en 5 pasos: 0, 25, 50, 75 y 100% de capacidad.

Descargadores de válvulas.

Los descargadores de válvulas son dispositivos acoplados a las válvulas de succión de un compresor y se utilizan básicamente para cumplir con las funciones siguientes: descargar totalmente el compresor, lo que es necesario para su arranque, y para regular capacidad entre



0, 50 y 100%. El segundo caso se da cuando se tiene un compresor de doble efecto y se utilizan los descargadores en uno de los efectos.

Válvula auxiliar.

La válvula auxiliar forma parte del sistema de control de capacidad del compresor ya que además de producir el accionamiento de los descargadores de válvulas, se ajustan en ella las presiones de carga y descarga del compresor.

Regulador de presión.

El regulador de presión cumple básicamente la misma función de la válvula auxiliar mencionada.

Filtro de admisión.

El filtro de admisión se encarga de evitar la entrada de partículas sólidas que pudieran dañar al compresor.

Interenfriador.

Es un intercambiador de calor entre las etapas en los compresores de dos o más etapas que tiene como función controlar la temperatura del aire lográndose adicionalmente la condensación parcial del agua asociada.

Post-enfriador de aire.

Intercambiador de calor para el aire comprimido. Con la ayuda de este elemento, se logra, en la mayoría de los casos, el control de la humedad del aire.

Válvulas de alivio.

La función de la válvula de alivio es la de abrirse dejando escapar el aire cuando se ha comunicado el enfriador intermedio con la atmósfera.

Válvula de seguridad.

La válvula de seguridad, es un dispositivo de seguridad del compresor que funciona abriéndose cuando se alcanza la presión preestablecida y se mantiene abierta. Evacua cualquier cantidad de aire que quede dentro del cilindro de alta presión.

Motor de accionamiento.

El elemento de accionamiento del compresor es normalmente un motor eléctrico que en virtud de las bajas velocidades del compresor, se acopla al compresor por medio de algún sistema de reducción de velocidad, como un sistema de bandas, aunque también se tienen compresores con acoplamiento flexible directo entre el motor y el compresor.



Tanque de almacenamiento.

El tanque de almacenamiento es el depósito desde el cual se alimenta de aire al sistema. Puede considerarse como parte del sistema de distribución, pero comúnmente está asociado al compresor. En algunos compresores contiene a la válvula auxiliar que controla la capacidad del compresor. Las funciones del tanque son el almacenamiento del aire, particularmente para atender las demandas punta; en él se incrementa el efecto de enfriamiento que ayuda a eliminar el agua presente en el aire, atenúa las variaciones de presión del sistema y evita ciclos muy cortos de carga-descarga del compresor.

Sistema de lubricación del compresor.

El sistema de lubricación del compresor incluye a todos los elementos presentes en el compresor que tienen como objetivo lubricar cojinetes y partes móviles del compresor, y, cuando aplica, la lubricación entre cámara y pistones.

Compresores de una etapa y de simple acción

Los compresores de una sola etapa y de acción simple, pueden estar construidos de un solo pistón o de varios pistones, pero todos los pistones son del mismo tamaño y tienen la misma carrera.

Figura 14. Compresor de una etapa y simple acción.

Compresores de varias etapas y de acción simple

El compresor de varias etapas puede tener uno o varios cilindros de baja presión con uno o varios cilindros de alta presión. También se pueden construir con múltiples etapas y múltiples cilindros por etapa.



Compresores de doble acción

Los compresores de doble acción, son muy similares en construcción a los de simple acción, tienen la ventaja que en una sola vuelta del cigüeñal, el pistón comprime por ambos extremos del pistón.

Figura 15. Compresor de doble acción.

4.1.2. Rotatorios.

Los compresores de desplazamiento positivo rotatorios son máquinas en las que la compresión y el desplazamiento se efectúan por la acción positiva de los elementos rotatorios. En general, estas máquinas se pueden encontrar con uno o dos rotores.

4.1.3. Tornillo.

Los compresores de tornillos helicoidales o en espiral son máquinas rotatorias de desplazamiento positivo en las cuales dos rotores engranados, cada uno de forma helicoidal asimétrico, comprimen y desplazan el gas desde el puerto de succión hasta la descarga en el otro extremo del compresor. Pueden producir gases exentos de aceite, o como en los otros casos, utilizar el aceite para lubricar, sellar y enfriar la máquina. Actualmente, este tipo de compresor está siendo muy empleado y ha desplazado a los compresores de pistón, ya que a diferencia de los otros compresores rotatorios, en éstos si se producen altas presiones.



Figura 16. Compresor tipo tornillo.

Los compresores tipo tornillo se utilizan ampliamente en los ciclos de refrigeración industrial, en la producción de aire comprimido y también en la industria de procesos.

Figura 17. Compresor de tornillos de una etapa y transmisión directa sin caja de engranajes

Figura 18. Compresor de tornillos de una etapa y transmisión directa con caja de engranajes



Compresor de tornillos con inyección de aceite de dos etapas

Este tipo de compresor ofrece todas las ventajas de cualquier compresor de etapas múltiples además de las ventajas que se han anotado para los compresores de tornillos. Su curva se acerca mucho a la isoterma, lo que significa que es una máquina de gran eficiencia.

Figura 19. Compresor tipo tornillo de dos etapas.

Figura 20. Compresor de dos etapas.

4.1.3.1. Componentes.

Los componentes más importantes de un compresor de tornillo son los siguientes:

Tornillos helicoidales.

El corazón del compresor rotativo de tornillos lo constituye dos tornillos helicoidales, que al girar se entrelazan entre sí. Así, el tornillo macho actúa como pistón, mientras que el tornillo hembra hace la función del cilindro.



Figura 21. Tornillos helicoidales.

Unidad compresora

Dentro de la unidad compresora, los tornillos se alojan sobre cojinetes anti-fricción. Los cojinetes cónicos soportan las cargas axiales, mientras que los de rodillos absorben las cargas radiales.

Figura 22. Unidad Compresora.

Rotores.

Los rotores son los elementos más importantes de un compresor de tornillo. Son dos tornillos helicoidales asimétricos que giran en sentido opuesto engranando el tornillo macho -que tiene cuatro lóbulos-, en el hembra -con seis huecos-, produciéndose la compresión del gas al quedar atrapado entre los rotores y carcaza, y transportado al puerto de descarga. En los compresores lubricados, se inyecta aceite que sella, lubrica y enfría. En el caso de compresores que entregan aire libre de aceite, las tolerancias entre los rotores son más pequeñas y se evita el contacto entre rotores por medio de engranes sincronizadores externos. Junto con la carcaza forman el elemento compresor básico, que como característica diferencial de los compresores reciprocantes, no tiene válvulas.



Carcaza.

Es la envolvente o compartimiento donde se alojan los dos rotores y con los que complementa la cámara de compresión de la máquina.

Filtro de admisión.

El filtro de admisión se encarga de evitar la entrada de partículas sólidas que pudieran dañar al compresor.

Separador de aceite. (Compresores lubricados).

Es un depósito dentro del cuál se separa el aceite del aire. Tiene asociado una válvula de presión mínima que evita que a presiones bajas se arrastre el aceite.

Filtro de aceite. (Compresores lubricados).

El filtro de aceite se encarga de mantener en condiciones adecuadas las características del fluido. Cuando existe algún problema de obstrucción en el filtro, se cuenta con una válvula de derivación que permite el paso del aceite al compresor. Esta no es una situación normal y sólo se hace como condición de emergencia.

Inter-enfriador. (Compresor de dos o más etapas).

Intercambiador de calor entre etapas, que tiene como función controlar la temperatura del aire, se logra, adicionalmente, la condensación parcial del agua asociada.

Post-enfriador de aire y aceite. (Compresores lubricados).

Intercambiador de calor para el aire comprimido y el aceite. Con la ayuda de este elemento, se logra en la mayoría de los casos, el control de la humedad del aire.

Post-enfriador de aire. (Compresores no lubricados o secos).

Intercambiador de calor para el aire comprimido. Se logra, en la mayoría de los casos, el control de la humedad del aire.

Separador o colector de condensado.

Depósito para acumular y desalojar el agua condensada asociada al aire.

Válvula de aspiración-descargador.

Este dispositivo, con la ayuda de otros más, estrangula la entrada de aire; cuando está totalmente abierta, permite que el compresor maneje su capacidad máxima y cuando se cierra totalmente, permite que el compresor opere sin carga.



Válvula de regulación. (Compresores tipo tornillo convencionales)

Esta válvula permite mantener el compresor en funcionamiento aún cuando la presión disminuya. Cuando el consumo disminuye el regulador actúa estrangulando la succión de tal forma que la presión de trabajo se mantiene prácticamente constante. En estas condiciones, el compresor sólo para cuando no hay consumo de aire. Cuando se detiene el compresor, actúa bajo el sistema de todo-nada.

Válvula de seguridad.

La válvula de seguridad, es un dispositivo de seguridad del compresor y funciona abriéndose cuando se alcanza la presión preestablecida en ella, manteniéndose abierta.

Interruptor manual.

Control manual para cambiar la condición del compresor de la condición descargado a la condición normal, o viceversa.

Interruptor (control) de presión.

Este dispositivo permite ajustar la presión máxima de descarga, así como la diferencia entre la anterior y la mínima que ocasiona el arranque de la unidad.

Temporizador.

Se encarga de parar automáticamente el compresor cuando después del tiempo preestablecido, no ocurre un cambio en la demanda de aire. El compresor arranca nuevamente cuando la presión disminuye a la programada.

Motor de accionamiento.

El elemento de accionamiento del compresor es normalmente un motor eléctrico que se acopla directamente mediante una conexión flexible.

Tanque de almacenamiento.

El tanque de almacenamiento es el depósito desde el cual se alimenta de aire al sistema. Las funciones del tanque son el almacenamiento del aire, particularmente para atender demandas punta, en él se incrementa el efecto de enfriamiento que ayuda a eliminar el agua presente en el aire, atenúa las variaciones de presión del sistema y evita ciclos muy cortos de carga descarga del compresor.

Secador de aire.

Dispositivo opcional del compresor que tiene como función lograr condiciones específicas en cuanto a la humedad del aire comprimido. Puede ser un secador tipo refrigerativo, que controla la temperatura del aire de salida por medio de un ciclo convencional de refrigeración, o utilizar algún desecante para hacer la tarea de secado.



4.1.4. Anillo líquido.

Los compresores de pistón liquido son máquinas rotatorias de desplazamiento positivo en las cuales se utiliza agua o algún otro liquido como pistón para comprimir y desalojar el gas que se está manejando. La producción del gas comprimido se logra mediante la acción del liquido contenido en la carcaza, que al ser movido por un rotor excéntrico de aspas fijas proyecta el fluido a la periferia, formándose cámaras de compresión similares a las del compresor de paletas deslizantes. A diferencia de los compresores anteriores, en éste se produce un gas libre de aceite pero con un alto contenido de humedad que requiere ser separada posteriormente. Se producen incrementos moderados de presión.

Se utiliza como bomba de vacío y en la compresión de numerosos gases, como el sulfuro de hidrógeno, el dióxido de carbono, el cloro y otros para los que es conveniente que su construcción sea en acero inoxidable. Se utiliza también en la compresión de aire.

4.1.5. Paletas deslizantes.

Los compresores de paletas deslizantes son máquinas rotatorias de desplazamiento positivo en las cuales, un conjunto de paletas axiales se desliza radialmente en un rotor montado excéntricamente dentro de una carcaza cilíndrica. Son máquinas de tamaño reducido. El gas atrapado entre las paletas se comprime y posteriormente se desaloja. En este tipo de máquina es posible lograr un incremento de presión adicional por efecto de contrapresión en la descarga. Normalmente deben contar con lubricante para sellar, lubricar y enfriar. Se producen en este tipo de compresores elevaciones moderadas de presión, pudiendo incrementarlas mediante la compresión en dos etapas. Por la necesidad del lubricante, sólo se utilizan en procesos donde el gas permite esto; al mismo tiempo, la necesidad de sellado hace que su eficiencia volumétrica disminuya con la velocidad, por la que ésta debe limitarse.

Se usan en procesos, compresión de aire y como bombas de vacío.

Figura 23. Compresor de paletas deslizantes.



4.1.6. Lóbulos.

Los compresores de lóbulos rectos son máquinas rotatorias de desplazamiento positivo en las cuales dos (o tres) impulsores rectos de forma lobular (de “8”) atrapan al gas llevándolo de la admisión a la descarga. Durante el giro de los rotores no hay compresión o reducción en el volumen del gas. Los impulsores sólo mueven el gas de la admisión a la descarga. La compresión se efectúa por contraflujo de la línea de descarga a la carcaza en el momento en que se abre el puerto de descarga.

Figura 24. Compresor de lobulos.

A diferencia de los compresores de paletas, en este caso se puede diseñar de manera que entregue un gas exento de aceite, para lo cual se utilizan normalmente engranes externos de sincronización, sin embargo, son máquinas que producen presiones y capacidades bajas. Para incrementar la eficiencia volumétrica de esta máquina, se puede usar el aceite como en el caso anterior, pudiéndose prescindir entonces de los engranes de sincronización.

Entre las aplicaciones de este compresor se pueden mencionar su uso como bombas de vacío y como sobre alimentadores en motores diesel.

4.1.7. Diafragma.

Los compresores de diafragma son máquinas de desplazamiento positivo que utilizan un diafragma para realizar el proceso de compresión del gas. El accionamiento del diafragma puede realizarse por medio de acción mecánica, hidráulica o neumática. A diferencia de los compresores reciprocantes, donde el pistón deberá contar con lubricante para disminuir la fricción a menos que sea del tipo no lubricado, en este caso, el gas siempre está libre de aceite y perfectamente confinado, lo que hace de este compresor una máquina con un amplio campo de aplicación donde se requieren gases sin contaminación de sustancias extrañas, produciéndose, además, elevaciones de presión importantes por etapa. Se utiliza en la



compresión de gases de proceso, gases corrosivos, gases asociados a la industria nuclear y también en el llenado de tanques para buceo.

Figura 25. Compresor tipo difragma.

4.2. Dinámicos

Los compresores dinámicos son máquinas de flujo continuo en las cuales, el rápido giro de un elemento rotatorio acelera el gas conforme pasa a través del elemento, convirtiendo la carga de velocidad en presión, parcialmente en el elemento rotatorio (rotor) y parcialmente en difusores o álabes estacionarios. A diferencia de los compresores de desplazamiento positivo que son máquinas volumétricas, en este caso, la capacidad del compresor puede ajustarse de diversas maneras, como puede ser el ajuste de álabes guía en la entrada, el estrangulamiento en la succión o el estrangulamiento en la descarga

Los turbocompresores tienen una construcción compacta que les permite resistir grandes esfuerzos, de manera que pueden acoplarse directamente a máquinas propulsoras de elevada velocidad de rotación como turbinas de gas o de vapor; además, requieren de esa gran velocidad de rotación para lograr las relaciones de presión deseadas. En este caso, las velocidades de giro dependerán de las velocidades críticas del rotor.

Los turbocompresores se emplean para la compresión de aire, vapor y otros gases, cuando el caudal en m3/hora en la aspiración es como mínimo igual a 800-1,200 veces la relación de compresión requerida. En el caso de caudales menores, generalmente se prefieren los compresores de desplazamiento positivo, los cuales presentan un mayor rendimiento y economía.



4.2.1. Centrífugos.

Los compresores centrífugos son máquinas dinámicas en las cuales uno o más impulsores rotatorios generalmente cerrados aceleran el gas. El flujo en esta máquina es radial y la ganancia de presión se da tanto por el efecto de conversión de velocidad en presión, como por el efecto centrífugo, al pasar el gas de una posición radial a otra. Es uno de los compresores más ampliamente utilizados ya que con ellos se pueden obtener presiones elevadas junto con gastos significativamente más altos que los que se logran en cualquier compresor de desplazamiento positivo; además de que el flujo no presenta la intermitencia de los reciprocantes.

Entre las aplicaciones más relevantes de este compresor, se encuentran la compresión de gases en la industria petroquímica, la licuefacción de gases, la alimentación de aire para la combustión, la compresión de aire o mezcla en los motores turbocargados, entre otras.

El aire es acelerado radialmente desde el centro hacia afuera. En la parte más exterior, el alabe del impulsor, la dirección del flujo es invertida y regresa hacia la parte más interna del eje. Desde este punto, el gas es acelerado nuevamente descargándolo en la etapa siguiente. El proceso se repite según el número de etapas, hasta alcanzar la presión requerida.

Figura 26. Compresor centrifugo.

4.2.2. Axiales.

Los compresores axiales son máquinas dinámicas en las que la aceleración del gas se obtiene por la acción de un rotor, con el flujo a través de la máquina en la dirección del eje de giro. Ya que la elevación de la presión se logra exclusivamente mediante el cambio de velocidad a presión, las elevaciones de presión que se obtienen en cada rotor son más pequeñas que la que se logra en un compresor radial, pero, en contraparte, la capacidad es mucho mayor. Estos compresores normalmente son compresores de múltiples etapas en los cuales un rotor entrega el gas a un conjunto de álabes estacionarios, que lo guían a la siguiente etapa.



Figura 27. Compresor axial.

En el compresor axial el fluido se mueve paralelo al eje giratorio. El compresor tiene hileras de paletas que se alternan de la siguiente forma: Paletas fijas unidas a la carcasa y paletas móviles unidas al eje.

Este compresor cubre particularmente una de las aplicaciones más relevantes de los compresores al formar parte de los ciclos de generación de energía en plantas de gas o en plantas de ciclo combinado, así como también está presente en los ciclos abiertos de producción de empuje de la aviación comercial y militar.

4.3. Ventajas y desventajas de algunos compresores.

Las ventajas y las desventajas de cualquier compresor se dan con base en sus características y los usos. Las que aquí se presentan consideran un sistema típico de aire comprimido en una planta industrial, que trabajando a plena carga a una presión de descarga de 100 psig en el compresor, a eficacia típica del motor de la impulsión principal de 92%.

Compresor reciprocante, simple efecto

Ventajas:

• Compacto y bajo peso.• Generalmente se pueden localizar cerca del punto de uso, evitando así las caídas de

presión.• Procedimientos de mantenimiento sencillos.• No requiere sistema de enfriamiento separado.



Desventajas:

• Más partes en movimiento tales como pistón, anillos, etc.• Mayor desgaste del equipo y como consecuencia, mayor pérdida de eficiencia.• Relativamente alto nivel de ruido.• Alto costo de compresión.• Generalmente están diseñados para trabajar el 50% del tiempo y algunos hasta el 80%.

Eficiencia de Operación: 22 a 24 kW/100 CFM.

Compresor reciprocante, doble efecto, enfriado por agua

Ventajas:

• Compresión eficiente, particularmente en compresores multi etapas.• Controles de capacidad de varios pasos 0-50-100% de Capacidad o 0-25-50-75-100% de

capacidad, permitiendo una operación eficiente aún a cargas parciales.• Procedimientos de mantenimiento relativamente sencillos.

Desventajas:

• Alto costo inicial.• Requerimiento de mayor espacio.• Altas vibraciones; requieren de una buena cimentación.• El paquete compresor, sistema de enfriamiento, arrancadores se vende por separado, en

raras ocasiones se vende el paquete completo.• Los procedimientos de reparación requieren de cierto nivel de entrenamiento y habilidad.

Eficiencia de Operación: 15 a 16 kW/100 CFM.

Compresores tornillo, lubricados

Ventajas:

• Tamaño compacto y paquete completo.• Bajo costo inicial.• Libre de vibraciones; no requieren cimentación ni anclajes especiales.• Existen diferentes tipos de sistemas de control para regular la capacidad.• Las rutinas de mantenimiento incluyen el cambio de lubricantes y filtros.

Desventajas:

• El aire de descarga lleva cierta cantidad de lubricante, por lo tanto, se requiere de un mantenimiento adecuado en el separador de aire/lubricante.

Eficiencia de operación: 18 a 19 kW/100 CFM, una etapa16 a 17 kW/100 CFM, dos etapas



Compresores tornillo, exentos de lubricante (Aceite)

Ventajas:

• Paquete completo.• Diseñados para entregar el aire libre de aceite.• No requieren cimentación especial.

Desventajas:

• Menor eficiencia que un compresor lubricado.• Significativamente más costosos que los de tornillos lubricados.• Más altos costos de mantenimiento y menor tiempo de vida que un lubricado.

Eficiencia de Operación: 18 a 22 kW/100 CFM

Compresores centrífugos

Ventajas:• Paquetes completos en capacidades mayores de 300 hp.• El costo inicial en función de $/CFM se reduce a medida que se incrementa la capacidad.• Diseñado para entregar aire libre de aceite y requerimientos de grandes cantidades de

aire.• No requieren de una cimentación especial, aunque sí debe estar bien nivelada.• Como no hay desgaste en los elementos de compresión, la vida del compresor es

bastante elevada.

Desventajas:

• Control de la capacidad muy limitada, normalmente, cuando los requerimientos de aire se reducen, el compresor se va a descarga y trabaja en vacío.

• Altas velocidades de rotación para lo cual se requiere de rodamientos o baleros especiales y un sofisticado monitoreo de vibraciones y separaciones o tolerancias.

• Mantenimiento especializado

Eficiencia de Operación: 16 a 20 kW/100 CFM



5. FILTROS.5. FILTROS.

Si existe una cantidad considerable de suciedad en la atmósfera, se requiere de algún sistema de filtrado antes de que el aire ingrese al compresor. La principal función de estos filtros es la de remover partículas tan pequeñas como de tres micras con una mínima caída de presión. Hay tres tipos principales de filtros de aire: secos, húmedos de aceite y bañados en aceite.

Las características de funcionamiento de estos filtros se resume en la siguiente tabla:

Tabla 2. Funcionamiento de filtros para compresores.

Tipo de filtro Eficiencia del filtro (%)

Tamaño de partícula (micras)

Caída de presión

(pulgadas de agua)

Comentarios

Seco 100, 99, 98 10, 5, 3 3 - 8 1Húmedo en

aceite 95, 85 20, 10 0.25 - 2.0 2, 3

Bañado en aceite 98, 90 10, 3 2.0 ó menos,

6 - 10 2, 3, 4

Seco con silenciador 100, 99 10, 5 5(5), 7(6) 1

1. Recomendado para compresores no lubricados y para compresores rotativos en un ambiente sucio.

2. No recomendado para áreas sucias o para compresores no lubricados.3. Los requerimientos de un funcionamiento son que el aceite esté adaptado a las temperaturas de operación tibia o fría.4. Recomendado para compresores rotativos (paletas) en servicio normal.5. A plena carga de capacidad arriba de 1,600 CFM.6. A plena carga de capacidad desde de 1,600 CFM a 6,500 CFM.

El filtro seco tiene la más alta eficiencia de filtración y una baja caída de presión. Este también es compatible con todos los compresores de aire incluyendo los no lubricados. El mantenimiento consiste en remplazar el elemento.

Los filtros multi etapas o combinaciones de filtros en serie pueden ser utilizados para requerimientos severos de filtración.

En un filtro seco, la caída de presión se incrementa dramáticamente con la adición de algunos silenciadores. El uso de un silenciador por separado se recomienda solo cuando se justifica, por ejemplo, en la entrada de compresores reciprocantes que estén en interiores o cercanos a oficinas o locales.



Los filtros en las líneas de aire comprimido remueven o separan el aceite, agua y partículas sólidas para la protección del resto de los componentes del sistema. Es crítico el dimensionamiento apropiado de los filtros, ya que se diseñan para capacidades y presiones específicas, y estos límites no deben ser excedidos.

Figura 28. Filtros de aire comprimido.

La temperatura de operación de la mayoría de filtros de aire comprimido está limitada a 50°C en presencia de líquidos, pero algunos pueden ser utilizados hasta una temperatura de 120ºC cuando filtran únicamente sólidos. Los modelos con esferas de policarbonato tienen una temperatura máxima de 50°C y no se recomiendan para el suministro de aire mediante compresores lubricados con aceite sintético.

La tabla 3 presenta información sobre aplicaciones específicas y funcionamiento de tres tipos de filtros de aire.

Tabla 3. Aplicaciones de tres tipos de filtros de aire.

Tipo de filtro Aplicación Máximo flujo (CFM)

Caída de presión @ Máximo gasto

Inicial (seco) Operando1

(húmedo) Sustitución2

Mecánico estándar

Dispensión de aerosoles líquidos y

partículas de una micra44,000 1 3 - 6 10

Combinado

99+% de condensación de aerosoles y 100%

de partículas de 0.025 micras

16,000 1 3 - 6 10

Adsorbente Vapor de aceite3 16,000 1 1 1,41. Varios con calidad de aire a la entrada.2. Recomendado para máxima eficiencia de operación. Para máxima eficiencia energética requiere de reemplazos frecuentes.3. Requiere de tratamiento adicional para la calidad del aire en la aspiración.4. La caída de presión permanece constante pero el cartucho requiere un reemplazo periódico.

Los sistemas de aire en las plantas de manufactura usualmente utilizan filtros de adsorción solo para prevenir la contaminación del aceite en los secadores regenerativos. Por eso, el interés principal será hacia filtro de aire mecánico estándar y el filtro combinado.



Los filtros mecánicos estándar son usados en conjunción con post-enfriadores separadores y recibidores. Estos pueden remover suficientes sólidos y aerosoles para la mayoría de las fabricas que utilizan sistemas de aire comprimido. Si se requiere filtración adicional, ésta puede ser suministrada en el punto de uso, esto es más eficiente ya que estos filtros sufren una caída de presión de 3 a 6 psi.

Los filtros combinados son usados para suministrar aire con bajo contenido de aceite en lugar de la instalación de compresores no lubricados. La especificación del sistema puede considerar el contenido de aceite del aire cuidadosamente y especificar filtros combinados únicamente si así se requiere. Lo recomendable es instalar los filtros en el punto de uso.

La filtración doble se utiliza en algunas aplicaciones para remover partículas sólidas. Para este tipo de situación es excelente instalar un filtro mecánico estándar en serie con un filtro combinado. El problema de este sistema es que el costo energético se eleva.

5.1. Eficiencia de energía en filtros

Dos características son importantes para mantener la eficiencia energética en filtros de aire comprimido: efectividad y caída de presión. Esto es importante para especificar los requerimientos de filtrado de aire en un sistema, ya que el filtro de aire puede generar la caída de presión más grande por equipo en el sistema (2 - 7 Psi).

Cabe mencionar que en una presión de trabajo de 100 Psi cada 1 Psi de caída o pérdida de presión en el sistema de distribución representa 0.7% de incremento en el consumo de energía.

En muchas plantas o procesos no es necesario que el aire esté libre de aceite o que requiera un gran filtrado. Estas empresas que tienen requerimientos localizados pueden utilizar sistemas de filtrado localizado en sitios específicos.

Cuando se requiere un sistema de filtrado de aire es importante especificar el funcionamiento del filtro requerido por tamaño máximo de partícula permitida; tipo de filtro: común o básico (40 micras), fino (5 micras), combinado (0.1 micras), alta pureza de aire (0.1 micras y 1 ppm de aceite). Los filtros combinados o mixtos actuales son efectivos para remover aceite y partículas, pero tienen una caída de presión de 3 a 5 psi cuando son nuevos y están limpios. La caída de presión se incrementa con el uso, por lo que su mantenimiento debe realizarse más a menudo.

Es deseable o ventajoso sobredimensionar el filtro de aire para reducir la caída de presión. Un buen análisis económico compara el costo de operación del sistema con el incremento del costo de un filtro de mayor tamaño. El filtro más económico normalmente es más grande que el seleccionado por el fabricante de acuerdo con la capacidad del compresor.

Es una buena inversión contar con medidores de diferencia de presión sobre todo, para determinar con precisión el estado o condición del filtro. El filtro de entrada de aire es muy importante debido a que una ligera caída de presión afecta a la eficiencia del compresor. Por cada 1% de reducción en la presión de succión representa 1% en la capacidad del compresor y 1% eficiencia.



6. SECADORES

La instalación de postenfriadores no elimina totalmente la posibilidad de aparición de agua condensada. Esto obliga a instalar una cantidad de elementos adicionales en la red de tuberías, tales como purgadores, separadores de humedad, filtros especiales, tuberías con pendiente, etc., que complican la labor de mantenimiento. Adicionalmente, los postenfriadores tienen gran variación de temperatura que depende de la época del año.

Los sistemas donde el único medio de secado o eliminación de la humedad es el postenfriador, se justifican en instalaciones donde el servicio de aire comprimido no es crítico, es decir, donde la existencia de agua en el aire no provoca perjuicios a las máquinas y herramientas.

Sin embargo, la mayoría de las instalaciones requieren aire comprimido con un punto de rocío lo suficientemente bajo como para eliminar casi en su totalidad la aparición de condensados. Para lograr estas condiciones se utilizan secadores.

Normalmente, el aire comprimido, antes de ser distribuido a la red, debe haberse secado hasta un punto de rocío que sea inferior a la temperatura del aire ambiente en donde se utiliza.

La instalación de secadores suministra aire exento de humedad y proporciona a los sistemas de aire comprimido las siguientes ventajas:

• Reducción del costo de la instalación de la red de distribución, hasta en un 30% al no necesitarse dispositivos de eliminación de agua.

• Reducción de gastos de mantenimiento hasta un 25% en redes, válvulas, herramientas, etc., debido al riesgo mínimo de corrosión.

• Menores riesgos de fugas de aire debidas a corrosión.

• Se evita el arrastre de lubricante en las herramientas.

• Mayor calidad de los productos tratados en casos de aplicaciones sensibles al agua (pintura, limpieza con arena, transporte neumático, manipulación de alimentos, procesos químicos).

• Se minimiza el riesgo de congelación de tuberías exteriores.

• Se obtiene un punto de rocío constante independientemente de la carga.

Los sistemas de secado más utilizados son el secado por refrigeración y el secado por absorción.



Figura 29. Secador tipo refrigerativo.

6.1. Secadores por refrigeración

El secador de aire por refrigeración es el dispositivo más común y quizá es el más económico, cuando la calidad del secado del aire comprimido requiera puntos de rocío alrededor de los 37°F (3° C).

Estos equipos generalmente operan en la actualidad con refrigerantes tales como el R22

(Hidrocloroflurocarbonados, HCFC) y el refrigerante R134A (Hidroflurocarbonados, HFC), conocido como el refrigerante ecológico.

Selección de secadores por refrigeración

Los equipos de secado por refrigeración se diseñan para operar bajo las siguientes condiciones:

Presión de entrada del aire: 100 Psig

Temperatura de entrada del aire: 37.7 °C

Temperatura del ambiente: no mayor de 37.7 °C

Cualquier variación de las condiciones anteriores afectará la eficiencia del equipo. Por lo tanto, la capacidad de los secadores deberá ser escogida o corregida para las condiciones de operación requeridas. Es recomendable obtener los parámetros de corrección que cada fabricante proporciona con su equipo.



7. ALMACENAMIENTO

Los tanques de almacenamiento son componentes muy importantes en el sistema de aire comprimido ya que cumplen con las siguientes funciones:

• Proporcionar capacidad de almacenamiento que sirve para evitar que los ciclos de operación de un compresor sean muy cortos, con lo que se reduce el desgaste y uso del compresor. Esto implica un ahorro de energía.

• Eliminar en gran medida el flujo pulsante generado por las variaciones de demanda en el sistema de aire comprimido o por las pulsaciones naturales producidas en los compresores reciprocantes, por lo que proporcionan el aire a presión esencialmente constante.

• Incrementar el enfriamiento y recuperar posibles residuos de condensado y aceite.

• Igualar las variaciones de presión en la red de aire.

Una de las principales medidas para obtener ahorros de energía es la de reducir el número

de ciclos que efectúa un compresor ya que al producirse ciclos muy cortos tiene una influencia directa sobre el desgaste y del consumo de energía del compresor.

Para el caso de compresores rotatorios inundados en aceite se recomienda que el tiempo mínimo de operación sea de alrededor de 2 minutos, mientras que en compresores secos y reciprocantes se recomiendan tiempos mínimos de un minuto.

Aún en el caso de un sistema que carece de tanque de almacenamiento, el sistema de distribución como tal proporciona un volumen de almacenamiento. Es claro que en este caso el compresor tendrá que funcionar ininterrumpidamente siempre que exista una demanda tal que evite que se alcance la presión máxima que produce la descarga del compresor, en esta condición, en virtud de que el volumen de almacenamiento es pequeño, el compresor entraría a condición de plena carga en un tiempo muy reducido. Como es de esperar que el compresor esté diseñado para suministrar una cantidad de aire que supera la demandada por el sistema, entonces el pequeño volumen provoca que se alcance rápidamente la presión máxima (de descarga) del compresor y el resultado neto es que se tienen precisamente ciclos de operación muy cortos seguidos de períodos cortos de operación sin entrega de aire (compresor descargado). En un período de 24 horas esto puede producir un número de varios miles de ciclos. Para evitar este problema es necesario proporcionar al sistema de aire almacenamiento adicional de manera que los tiempos mencionados se incrementen hasta los valores recomendados como mínimo.



Figura 30. Comportamiento eléctrico de un compresor.

Los picos que se observan en la figura 30 se producen cuando el compresor está trabajando con carga, es decir, comprimiendo y entregando aire; los valores mínimos corresponden al compresor trabajando en vacío, es decir, no está comprimiendo.

El cálculo del tamaño de un tanque es un procedimiento muy sencillo basado en un simple balance de masa, aunque también se llega al mismo resultado si se realiza un balance de energía. Utilizando el balance de materia, el volumen de un tanque queda definido a partir de conocer la masa que entra al mismo proveniente del compresor, junto con la masa que sale hacia los puntos de demanda. En estas condiciones la masa que se pierde o se acumula en un tanque de volumen Vt, es:

Patmcomp)V'-dem(V'Pmax-Pmin t /Vt

⋅= …………………………….(1)

Donde: Vt ≡ volumen del tanque, [m3 ó pie3],

patm ≡ presión del medio ambiente, [kPa ó lb/pulg.2],pmax ≡ presión máxima en el tanque, [kPa ó lb/pulg.2],pmin ≡ presión mínima en el tanque, [kPa ó lb/pulg.2],V´dem ≡ capacidad que demanda el sistema, [m3/seg ó pie3/min],V´comp ≡ capacidad que entrega el compresor, [m3/seg ó pie3/min],t ≡ tiempo transcurrido entre pmax y pmin, [seg ó min]



7.1. Cálculo de un tanque de almacenamiento:

Un compresor trabaja solamente la mitad del tiempo con carga y, por otro lado, el nivel de almacenamiento es insuficiente ya que actualmente se tienen 1000 litros y la recomendación es que por cada CFM instalado tener 3 galones (11.36 Litros). Considerando 600 CFM instalados se requiere un almacenamiento de 6,800 Litros, por lo tanto, la primer recomendación es instalar un tanque de 5,000 litros que junto con los 1000 litros actuales puedan incrementar a 6000 litros.

1000 Litros + 5000 Litros = 212 Pies3

Ahora se calcula el tiempo que permanecería el compresor sin comprimir. De la ecuación 1 se tiene:

Minutos⋅=⋅

= 73.1)28.12((279)

82-110212 Tiempo

Donde:

P Mínima = Presión inicial tanque: 82 PsigP Máxima = Presión final tanque: 110 PsigP Atmosférica = Presión atmosférica: 12.28 PsiaV demanda = Flujo de Aire Promedio: 279 CFMV Almacenamiento = Capacidad Tanque Actual más Propuesto:

T = Tiempo (Minutos)

Lo que significa que con el flujo de demanda de aire promedio e incrementando el almacenamiento, el tiempo que se tendría sin operación al compresor actual es de 1.73 minutos, lo cual incremento el nivel de descanso y por otro la capacidad de amortiguar picos de demanda de aire.

7.2. Consideraciones Adicionales

Es importante destacar que el tanque de almacenamiento debe diseñarse de acuerdo con las disposiciones de las autoridades locales (regulaciones sobre recipientes a presión).

El sistema de almacenamiento debe ser capaz de cubrir las necesidades de aire sin que provoque que el compresor produzca más de 10 arranques en una hora, con arranques menores a 6 minutos, para evitar daños en los equipos eléctricos y en el motor.



8. ALTERNATIVAS DE AHORRO DE ENERGÍA

8.1 Selección del Compresor Adecuado

La selección de un compresor depende de un conjunto de factores a analizar que pueden llevar a identificar varios tipos o arreglos que satisfagan una misma necesidad. Los puntos más importantes que influyen en la selección de un compresor son la capacidad y el nivel de las presiones que se deben alcanzar.

El suministro de aire a un sistema de aire comprimido puede darse con un compresor o grupo de compresores que pueden estar instalados en un cuarto de compresores o distribuidos en diferentes locales, dependiendo de las características particulares del sistema. Una de las principales oportunidades de ahorro de energía se da cuando es posible disminuir la presión de descarga del compresor. Por otro lado, uno de los responsables de la definición de un nivel de presión en el sistema es la distribución, que se encarga de llevar el aire comprimido a los puntos de demanda.

Una manera de evitar caídas excesivas de presión en los puntos lejanos de demanda consiste en tener un diámetro adecuado en el sistema de distribución y que éste sea un anillo cerrado.

Existen dos factores que influyen en la determinación de la capacidad total del compresor. Todos los tipos de compresores de velocidad constante son más eficientes cuando operan a plena carga, es decir, a la capacidad máxima. La amplia gama de diseños tiene diferentes eficiencias a cargas parciales, sin embargo, en todos, la eficiencia máxima es a plena carga.

Así que los compresores más eficientes pueden ser dimensionados para manejar la carga promedio y poder operar normalmente a plena carga.

Los compresores subdimensionados tienen como resultado una reducción en las presiones de operación, siguiendo una disminución en la potencia y eficiencias en los equipos o herramientas neumáticas.

El uso de compresores múltiples con control secuencial es una solución para resolver el dilema de poder satisfacer demandas pico y, por otro lado, mantener al compresor en un nivel de operación cercano al nominal y de esta forma mantener la eficiencia en niveles adecuados. Otra de las ventajas de tener varios compresores es la de disponer de respaldo para realizar reparaciones o mantenimiento.

Por ejemplo, tres compresores dimensionados cada uno para satisfacer el 50% de la carga pico, es una configuración que puede ofrecer estas ventajas.

Las desventajas de compresores múltiples son que la eficiencia a plena carga de los compresores más pequeños generalmente es menor que la de los compresores más grandes y las pequeñas unidades son más costosas por unidad de capacidad tanto en la compra como en la instalación.



8.2 Caída de Presión del aire

Como elemento básico para lograr ahorros de energía está el poder entregar el aire a la presión más baja posible. Esto dependerá entre otras cosas, de las características requeridas por los usuarios finales y de las caídas de presión que se tienen en el sistema de distribución y en los elementos y accesorios. De hecho, es frecuente que una porción importante de la caída de presión ocurra en los últimos elementos mencionados, por lo que se deberá tener cuidado al definir tamaños y accesorios adecuados para los usuarios finales.

El objetivo del sistema de distribución es el de llevar el aire comprimido a los puntos donde lo requieren los usuarios finales, lo que debe realizarse con una caída de presión mínima. Con relación a este punto, se tiene que usualmente la presión de operación de un compresor para aire comprimido es de 100 psig (7 bar manométrico), pero la presión óptima de operación de las herramientas y dispositivos neumáticos es de unos 90 psig, lo que indica que en estos casos la caída de presión del sistema sea de unos 10 psig. Con frecuencia se toma esta caída de presión como el valor máximo de diseño de un sistema de distribución. Esta caída incluye la caída de presión que se tiene en los accesorios y equipos de usuarios finales.

El diseño del sistema de distribución requiere, además de las características ya mencionadas, tomar en cuenta la posibilidad de expansión futura, que incide principalmente en el dimensionamiento de los cabezales de distribución y el tanque de almacenamiento. Ante la posibilidad de que se arrastre agua o aceite en exceso por lo que las tuberías horizontales deberán contar con una ligera pendiente aguas abajo para facilitar el desalojo de esas sustancias, contando además con trampas para la purga del sistema; para evitar estos problemas, las tomas de aire en tuberías verticales que descienden, deberán hacerse por la parte superior. Se debe garantizar que el sistema en general produzca una buena distribución de aire, independientemente de si todos los usuarios finales demandan aire o no.

El dimensionamiento de redes de tuberías no es un problema cerrado, por lo que para su

solución se requieren especificar las principales características de diseño, y a partir de éstas, calcular los diámetros de tubería correspondientes.

A partir del trazo de un sistema de distribución surgen, de manera natural, los accesorios necesarios y el dimensionamiento puede llevarse a cabo si se define una caída de presión por unidad de longitud, junto con un gasto de aire (capacidad). En tal caso, el diámetro de la tubería está dado por:

2.0

2

2

)/(8

=

LhgfQDfπ

……………………………….(2)

Donde:Q es la capacidad de aire a las condiciones de presión y temperatura a que se moverá en la línea en CFM,f es el factor de fricción, hf /L es la caída de presión por unidad de longitud, yD es el diámetro de la tubería en metros.



Si se utiliza la caída de presión por unidad de longitud junto con alguna velocidad recomendada, el diámetro estará dado por:

Dfgh Lf

=

υ 2

2 /……………………..(3)

Alternativamente, para el cálculo del diámetro se puede utilizar junto con la capacidad de aire, alguna velocidad recomendada, con lo que el cálculo del diámetro se efectúa directamente:

DQ

=

4 0 5

π υ

.

……………………..(4)

En este caso, se deberá comprobar con la ecuación de Darcy, que la caída de presión está dentro de los límites de diseño:

hL

fQgD

f =

8 2

2 5π ……………………..(5)

ó

hL

fgD

f =

υ 2

2 …………………………(6)

Salvo en el cálculo directo del diámetro de la última expresión, en las dos restantes, el cálculo se obtiene fácilmente pero utilizando un proceso iterativo en virtud de que el factor de fricción f, depende del diámetro.

En la tabla 4 se presentan los valores recomendados de los flujos para distintos tamaños de tubería de colectores y ramales, a una presión de 100 Psig.



Tabla 4. Valores de flujos para diferentes diametros.Diámetro Nominal

Líneas Principales Ramales (<15 m)

Pulgadas CFM CFM1/8 2.118 6.3541/4 6.354 12.7083/8 10.59 27.5341/2 21.18 52.953/4 36.006 84.721 52.95 148.26

1 1/4 105.9 317.71 1/2 137.67 465.96

2 211.8 900.152 1/2 381.24 1440.24

3 508.32 2605.144 868.38 ---5 1291.98 ---6 1906.2 ---

Ejemplo de cálculo de una tubería:

El consumo de aire en una industria es de 140 CFM (4 m3/min). En 3 años aumentará un 300%, lo que representa 420 CFM (12 m3/min).

El consumo global asciende a 560 CFM (16 m3/min). La red tiene una longitud de 280 m; comprende 6 piezas en T, 5 codos normales, 1 válvula de cierre. La pérdida admisible de presión es de p = 10 kPa (0,1 bar). La presión de servicio es de 600 kPa (6 bar).

Encontrar el diámetro de la tubería utilizando el nomograma de la figura 26, con los datos dados se puede determinar el diámetro provisional de las tuberías.

Solución:

En el nomograma, unir la línea A (longitud M tubo) con la B (cantidad de aire aspirado) y prolongar el trazo hasta C (eje l). Después este punto unir con la línea E de (presión). Posteriormente unir con la caída de presión esperada. En la línea F (eje 2) se obtiene una intersección. Unir los puntos de intersección de los ejes 1 y 2. Esta línea corta la D (diámetro nominal de la tubería) en un punto que proporciona el diámetro deseado. En este caso, se obtiene para el diámetro un valor de 90 mm (3.5 Pulgadas).



Figura 31. Nomograma1.

Las resistencias de los elementos estranguladores (válvula de cierre, válvula esquinera, pieza en T, compuerta, y codo normal se indican en longitudes equivalentes. Se entiende por longitud equivalente la longitud de una tubería recta que ofrece la misma resistencia al flujo que el elemento estrangulador o el punto de estrangulación. La sección de paso de la "tubería de longitud equivalente es la misma que la tubería.

1 Tomado del manual de neumática de FMA Pokorny, Francfort



El nomograma de la figura 27 permite determinar rápidamente las longitudes equivalentes.

Figura 32. Nomograma de longitudes equivalentes.

Con la longitud total de tubería de 380 m, el consumo de aire, la pérdida de presión y la presión de servicio se pueden determinar, como en el problema anterior, con ayuda del nomograma de la figura 26 el diámetro definitivo de las tuberías.

En este caso, el diámetro es de 95 mm.

No solamente importa el dimensionado correcto de las tuberías, ya que las tuberías requieren un mantenimiento y vigilancia regulares, por cuyo motivo no deben instalarse dentro de obras ni en emplazamientos demasiado estrechos. En estos casos, la detección de posibles



fugas se hace difícil. Pequeñas faltas de estanqueidad ocasionan considerables pérdidas de presión.

Efecto del cambio en la presión atmosférica

Aunque el efecto de la presión atmosférica local es inevitable para un sistema de aire comprimido, es importante puntualizar sus efectos en las variables del compresor.

La reducción de la presión atmosférica produce un efecto en los siguientes parámetros:

• Disminuye la capacidad del compresor al aumentar la relación de presión del compresor.

• Aumenta la temperatura en la descarga, por lo que la capacidad de enfriamiento disminuye comparada con la que se lograría en las mismas condiciones pero a nivel del mar.

• Disminuye la potencia necesaria pero debe tenerse en cuenta que la capacidad que entrega disminuye significativamente, por lo que el tiempo de operación para satisfacer la demanda a partir de las condiciones de almacenamiento del sistema se incrementará en la misma medida.

Por lo tanto, será necesario tener una máquina más grande para poder satisfacer la capacidad de diseño.

Cambio de filtros en la succión

El efecto producido por el cambio en la caída de presión en el filtro de admisión es exactamente el mismo que el causado por la altitud. A diferencia de aquel, en este caso sí se puede realizar la medida correctiva que evite la pérdida de capacidad y el consiguiente aumento en el tiempo de operación.

Es muy importante que se sigan las recomendaciones del fabricante en cuanto a cambio de elementos filtrantes, tanto de aire como de aceite ya que tienen un efecto negativo sobre la operación del sistema de aire comprimido.

En el caso de que el medio ambiente sea más sucio del normal, se deberá incrementar la frecuencia del cambio. Los manuales de los equipos ofrecen normalmente recomendaciones particulares en cuanto a cambio de elementos filtrantes en función del medio ambiente. A menudo algunos compresores están equipados con algún tipo de sensor que evalúa las condiciones del filtro.



8.3. Fugas en los sistemas de aire comprimido

Las fugas en los sistemas de aire comprimido son uno de los problemas que pueden impactar fuertemente ya sea el consumo de energía o a la producción de la planta asociada al uso del aire en el sistema, por lo que deben tenerse en cuenta desde el diseño mismo.

En virtud de que el aire comprimido no es gratuito, cualquier cantidad que se fuga del sistema tiene asociado un costo que se puede medir en términos energéticos o directamente en dinero que se pierde a causa de la energía en exceso que hay que suministrar para compensar las pérdidas de aire.

El no considerar las fugas en el sistema puede traer como consecuencia que no se cumpla con las metas de productividad, al no poder cubrirse la demanda de los equipos. Se hace necesario considerar a las fugas como una variable de diseño, por lo que como práctica, deberá contemplarse un margen que absorba esta deficiencia. Este margen normalmente se encuentra en un valor de alrededor del 10%.

Un sistema en buen estado, consecuencia de un buen mantenimiento, puede tener fugas que no rebasen el 10% mencionado y que incluso estén muy por debajo de este valor, y en contraste, un sistema descuidado puede llegar a tener fugas que puedan ser del orden del 50%.

Existe un compromiso importante entre las pérdidas por fugas y la presión de trabajo, ya que al incrementar la última, también se incrementan las fugas en un orden de ~ p0.5. Las fugas son ocasionadas sobre todo por falta de mantenimiento o un mantenimiento defectuoso del sistema.

Para determinar los ahorros asociados a la disminución de pérdidas de aire, es necesario realizar un inventario de las mismas y hacer el análisis económico correspondiente a las inversiones requeridas. Las principales fuentes de fugas son:

• Válvulas de seguridad en depósitos.• Válvulas de corte.• Válvulas en general.• Reguladores.• Conexiones rápidas.• Herramientas neumáticas.• Juntas de tuberías y mangueras.• Equipos.

Para disminuir las fugas se pueden seguir, entre otras, las siguientes recomendaciones:

• Inspeccionar los empaques de las válvulas, reemplazándolos en caso necesario.• Reemplazar aquellas válvulas que tengan un cierre defectuoso.• Revisar las herramientas para ajustar y reducir fugas.• Asegurarse de contar con buenas conexiones en las mangueras o tuberías flexibles.• Utilizar mangueras de buena calidad.



• No utilizar el aire para soplado o limpieza en general, si se usa, utilizar aire a menor presión.

• Instalar drenes y separadores de condensado en los extremos de los ramales para evitar utilizar aire para la limpieza de las líneas.

• Registrar las fugas y su ubicación para tener un mejor control del mantenimiento necesario.

• Efectuar el mantenimiento a intervalos regulares.

Evaluación de las Fugas de Aire

Hay varios métodos para determinar las fugas. Los métodos están relacionados con la cantidad de aire que suministran los compresores para mantener la presión de trabajo cuando no existe demanda de aire.

Una manera cualitativa para comparar o identificar si las fugas de diferentes secciones del sistema son significativas, consiste en llevar el sistema a la presión de trabajo y una vez que se ha alcanzado, se para el compresor, y se aisla el sistema de distribución del tanque, cerrando la válvula correspondiente. En estas condiciones, se cierran las válvulas de alimentación a equipos y herramientas y se procede a tomar el tiempo en el cual ocurre una variación de la presión predeterminada. Con este método se pueden identificar las secciones donde ocurren las mayores pérdidas de aire.

Para determinar el valor de la fuga es necesario seguir un planteamiento similar al anterior, pero en este caso, se calcula el valor de la fuga con el procedimiento siguiente: una vez alcanzada la presión de trabajo y que se ha parado el compresor, se cierran las válvulas, anotándose la presión inicial, la temperatura y el tiempo. Se necesita conocer el volumen de aire en las tuberías asociadas a la porción aislada del sistema. Se puede fijar un tiempo o una presión de referencia y con estos valores, la fuga estará dada por:

PoTP2-P1V C

⋅= …………………………(7)

Donde:

C es la capacidad en aire libre fugada, [m3]

V es el volumen de la tubería y tanques involucrada, [m3]

t es el tiempo de referencia o el tiempo para alcanzar la presión final de referencia, [seg]

p1 es la presión al inicio de la prueba, [Psig]

p2 es la presión al final de la prueba prefijada o la que se alcanza después del tiempo de referencia [Psig]

Po es la presión atmosférica local, [Psia]



Ejemplo:

T = Tiempo (minutos): 1.31 MinutosP1 = Presión inicial tanque (psig): 90 PsigP2 = Presión final tanque (psig): 84 PsigPo = Presión atmosférica (psia): 12.28 PsiaC = Flujo de Aire (CFM):V = Capacidad Tanque (Pies3): 355.9 Pies3

CFM⋅=⋅

= 7.132)28.12((1.31)

84-90355.9 C ………………(8)

Al evaluar las fugas se estima un flujo de alrededor de 133 CFM.

Alternativamente se puede calcular la fuga de la siguiente manera: se alcanza la presión de trabajo y se paran todas las herramientas y equipos. Se hace funcionar nuevamente el compresor de tal forma que se mantenga la presión, la capacidad que entrega el compresor equivale con las fugas del sistema. En este caso se requiere contar con un medidor de capacidad. Si se cuenta con un medidor volumétrico, la capacidad será la relación del volumen introducido, entre el tiempo de duración de la prueba.

Otra manera directa para determinar las fugas consiste en medir la capacidad del compresor, después de lo cual se requieren medir dos tiempos con exactitud, en primer lugar el tiempo medio de funcionamiento y en segundo lugar el tiempo promedio de paro. La fuga estará asociada al volumen de aire libre introducido al compresor y el tiempo total empleado para ello, es decir, la suma de los tiempos mencionados. Obviamente, los equipos que demandan aire deberán estar fuera de operación.

Para determinar si una sección del sistema tiene fugas que superen el margen preestablecido, por lo que requieren de ajuste, se calcula el margen permitido para esa sección con

enmtotaltotal

ciónendentrodelm fV

VVf arg

secarg *'= ………………..(9)

donde:

fdentro del margen = fracción aceptable de fuga en la sección de estudio, [m3]

Vseccion = volumen de la sección bajo estudio, [m3]

Vtotal = volumen total del sistema, [m3]

V’total = capacidad del sistema, [m3]

fmargen = margen preestablecido de fugas, por ejemplo, 0.1 (10%)



Hay dos tipos básicos de programas de la reparación de fugas, el programa de etiquetar las fugas y el programa de búsqueda y reparación.

La búsqueda y la reparación es la más simple. Se encuentran las fugas y se reparan de inmediatamente. Con el programa del etiquetado de fugas, las fugas se identifican con una etiqueta y se registran para la reparación posterior. Es decir, se tiene que identificar la localización, el tamaño y la descripción de la fuga que se reparará.

El mejor resultado se dará entre mayor cultura laboral tengan las empresas.

8.4 Reducción de la temperatura de succión.

Una de las formas más sencillas y baratas para lograr ahorros de energía es simplemente admitir aire al compresor directamente del ambiente por lo que se incrementa la capacidad que maneja el compresor. Comúnmente el aire se toma del cuarto del compresor o inclusive se admite dentro del gabinete de una unidad paquete, donde las condiciones de temperatura pueden estar algunos grados centígrados por encima de la temperatura ambiental en el caso de que se trabaje en verano, pudiendo alcanzarse diferencias de temperaturas entre el cuarto de compresores y el ambiente de más de 10°C en invierno. El comportamiento depende de si se tiene un compresor reciprocante o un rotatorio.

Compresores reciprocantes:

En el caso de un compresor reciprocante, la capacidad es independiente de la temperatura de entrada, dependiendo de las presiones de succión y descarga; como la presión manométrica de descarga, la presión de succión y la capacidad no varían, la potencia consumida para una temperatura diferente será la misma, sin embargo, la capacidad en aire libre sí aumenta, por lo que para cubrir con las necesidades del sistema será necesario mantener el compresor menos tiempo en operación a plena carga: Se produce así el ahorro de energía:

VPot *P~ succión …………………(10)

succiónT1~'V ………………..(11)

Compresores de tornillo:

Dependiendo del tipo de control de un compresor de tornillo se presentan los siguientes casos:

• Compresor con control de carga/descarga y/o arranque/paro. En estos compresores se mantiene constante la relación de compresión por lo que cuando disminuye la temperatura en la succión se produce un incremento en la densidad del aire, la densidad en la descarga será mayor; sin embargo, la relación de presiones no cambia por lo que se llega nuevamente a las conclusiones del caso anterior.



• Compresor con regulación en la succión mediante válvula de estrangulamiento. La relación de compresión sigue permaneciendo constante y el cambio en las condiciones de presión en la succión produce una disminución en la presión de descarga, con la consecuente disminución de potencia. Para una posición fija de la válvula de regulación, el cambio producido por la temperatura en la potencia es nulo y sólo tiene efecto en la capacidad de aire libre.

• Compresor con regulación por válvula en la descarga. El compresor funciona en este caso como el reciprocante. Los efectos de la temperatura son los ya mencionados.

• Cambio de ubicación del compresor (calidad y temperatura del aire). Mejorar la ventilación del local donde se ubica el compresor.

Como solución alterna a la disminución de la temperatura en la succión se puede buscar mejorar la ventilación del local o en casos extremos, se puede pensar en la reubicación del compresor en una zona más fría. Es evidente que resulta más sencillo llevar el aire frío al compresor y no al revés.

Debe tenerse en cuenta que esta acción puede traer como consecuencia una disminución adicional de la presión en la succión que contrarreste el efecto de la temperatura. En este caso puede ser favorable la reubicación del compresor.

Los efectos de la disminución de la presión en la succión se presentan en la discusión del punto siguiente.

8.5 Sistemas de control para aire comprimido

La naturaleza fluctuante del uso del aire en virtud de la gran variedad de aplicaciones en una planta, da como resultado que surjan oportunidades de ahorro de energía asociadas a las condiciones de operación del compresor o compresores, principalmente en condiciones de carga parcial. De hecho, la mayoría de las oportunidades identificadas anteriormente son parte integral de esta aseveración.

Desde el punto de vista del control del compresor, la idea básica consiste en limitar las condiciones de operación a las necesarias para cubrir la demanda de aire del sistema, es decir, reducir el aire que no se usa o se pierde y, de igual forma, la presión. Los compresores equipados con sistemas de control pueden llevar a cabo la tarea antes mencionada, pero esto no resuelve el problema cuando se tienen varios compresores funcionando. Independientemente de la capacidad o tecnología del compresor, las instalaciones que tienen varios compresores tienden a operar más eficientemente (ahorrando energía y dinero) cuando se utilizan sistemas de control múltiple de compresores. Si un sistema tiene un control para cada compresor, se puede mejorar la eficiencia del sistema dependiendo de la aplicación. Si se tiene un sistema común de distribución, entonces es seguro que se puede lograr un ahorro de



energía. Actuando de esta manera se logrará, en muchos casos, un ahorro significativo de energía y el económico correspondiente en efectivo.

La característica más importante para determinar el tipo de control necesario en una planta, es el conocimiento amplio de la demanda del sistema, donde la demanda en general o de un elemento en particular, depende de la presión y la capacidad. Con base en esta información será posible determinar si en un sistema es posible, por ejemplo, disminuir la presión de descarga y, como consecuencia de ello, obtener los beneficios asociados al ahorro energético. La demanda de aire, por otra parte, es una variable que puede cambiar significativamente a lo largo de un día típico en una planta cualquiera.

Se pueden encontrar en una instalación en particular los siguientes tipos de control:

Sin control. Aunque parezca contradictorio incluir este "tipo de no control", existen numerosas plantas donde no existe prácticamente ningún control, en las que el compresor o compresores sólo se arrancan y se mantienen en operación durante el resto del día o por varios días sin importar que la máquina opere innecesariamente sin carga (descargado) por varias horas en el período mencionado. Se pueden identificar casos donde a pesar de que no se demande aire en un fin de semana, el compresor está operando, simplemente para compensar las fugas que se tienen. En este caso, la posibilidad de apagar el compresor da como resultado un gran ahorro de energía.

Control local. En este caso se tiene un control para cada compresor, sin embargo, los compresores trabajan independientemente, por lo que no existe un soporte de uno a otro. La adición de controles automáticos para el arranque/paro de los compresores permite el paro de aquellas máquinas que de otra forma estarían trabajando en vacío, reduciéndose la energía consumida. A este respecto, normalmente los fabricantes de compresores ofrecen la opción en sus compresores de control para el arranque/paro, que en su versión más sencilla consiste de un "timer" y un relevador. El timer empieza a funcionar en cuanto el compresor se descarga y si se llega al tiempo de paro del timer, entonces el relevador para el compresor. Una vez que la presión se reduce y alcanza el valor mínimo de presión preestablecida, el compresor arranca automáticamente.

Dentro del esquema de control local se pueden incluir también aquellos esquemas de control de un compresor que tienen como objetivo modular la capacidad del compresor.

Resumiendo, para el control de la capacidad en un compresor se tienen las siguientes posibilidades:

Compresores reciprocantes:

• control de arranque/paro• control de carga/descarga (válvulas de admisión)• control de descarga 0,50,100% (válvulas de admisión, compresor doble efecto)• control multipasos 0,25,50,75,100% (bolsas de desahogo, compresor doble efecto)

Compresores de tornillo (y otros rotatorios):



• control de arranque/paro,• control de carga/descarga,• modulación de capacidad con válvula de estrangulamiento,• control geométrico,• variación de velocidad.

El tipo de control de capacidad del compresor conduce obviamente a diferentes valores de los ahorros de energía que se pueden obtener. Los valores concretos de consumo de energía de cada compresor dependen de las características de diseño de cada fabricante.

Adicionalmente, los nuevos modelos ofrecidos por los fabricantes incorporan características de control sofisticadas, utilizando microprocesadores u otros elementos de control con los cuales se producen esquemas de funcionamiento más ajustados o eficientes.



9. PROGRAMA AIRMaster+.

9.1. Historia.

En el otoño de 1993, la Administración de Energía Bonneville (BPA por sus siglas en inglés) comenzó a desarrollar una herramienta que evaluara sistemas de aire comprimido. Fondos proveídos por el estado fueron entregados a la Universidad Estatal de Oregon para el proyecto. Greg Wheeler, director del centro de evaluaciones industriales de dicha universidad y dos estudiantes graduados (Eric Bessey and Rick McGill) tomaron el proyecto.

El propósito era desarrollar una herramienta, AIRMaster, y una metodología que sirviera tanto a consultores como al personal que trabaja en planta, para la evaluación de la operación de los sistemas de aire comprimido con una instrumentación simple durante un corto tiempo. Los consultores y el personal de las plantas iban a conducir las evaluaciones hasta refinar la metodología y evaluar las medidas de ahorro potenciales provenientes de 6 medidas de operación y mantenimiento comunes. El foco del proyecto fueron las medidas de operación y mantenimiento típicas debido al bajo costo, rápida tasa de retorno y el bajo riesgo que representaban.

AIRMaster fue desarrollado bajo los lineamientos de un comité de consultores técnicos. El comité fue un compromiso de profesionales en fabricación de compresores, instalaciones industriales, consultores y suministradores de energía. El software fue probado por evaluadores de sistemas de aire comprimido de nueve instalaciones industriales. La implementación de las recomendaciones del AIRMaster pudo reducir la energía usada en el aire comprimido hasta un 49.2% y con una tasa simple de retorno de 0.8 años. La primera versión del AIRMaster estuvo disponible en 1997.

El programa de energía de la Universidad Estatal de Washington fue contratado para desarrollar AIRMaster+, con una plataforma en Windows para el mejoramiento del AIRMaster original.

9.2. Características.

El programa AIRMaster+ es una herramienta basada en Windows diseñada para analizar los sistemas industriales de aire comprimido. Este puede reproducir modelos existentes y realizar futuras adecuaciones a la operación de un sistema de aire comprimido, evalúa ahorros provenientes de las medidas de eficiencia energética que cuentan con un periodo corto de recuperación. AIRMaster+ cuenta con un asesoramiento sistemático de los sistemas de aire comprimido, analiza datos y crea reportes con resultados.

AIRMaster+ es por mucho una de las más grandes herramientas que ha diseñado “Compressed Air Challenge” que ayuda a los usuarios finales para poder medir el desempeño y la eficiencia de los sistemas de aire comprimido. AIRMaster+ tiene por objeto la evaluación de resultados en la implementación de medidas de ahorro de energía. Sin embargo, este software



nunca va a reemplazar la experiencia de un consultor en la evaluación de un sistema de aire comprimido. AIRMaster+ es un modelo de flujo de aire relacionado con las demandas eléctricas que requiere dicho flujo.

El software está basado en una plataforma de Windows que permite:

• Administrar múltiples instalaciones y sistemas de aire comprimido.

• Contiene dos bases de datos de compresores de aire (1 – 3,500 hp): un inventario de los compresores de aire existentes, genéricos o de tipo estándar.

• Simular un sistema de aire comprimido existente o modificar el mismo.

• Asignar horarios de uso y obtener los perfiles de carga.

• Mediante los perfiles de carga se pueden calcular los costos de operación de la electricidad.

• Evaluar las ocho medidas de ahorro en los sistemas de aire contenidas en el software:

o Reducción de fugas de aire.o Mejorar el uso final del aire.o Reducir la presión en el sistema.o Uso del control de descarga.o Uso de una secuencia automática.o La reducción del tiempo de uso del compresor.o Ajustar.o Aumentar el volumen del tanque de almacenamiento primario.

• Administrar la carga y la presión en el usuario final.

• Calcular la capacidad actual de almacenamiento de aire, el flujo de aire requerido para condiciones estándar.

• Generar gráficas y reportes.

9.3. Requerimientos mínimos para el programa AIRMaster+

El programa AIRMaster+ requiere de una computadora personal (PC) con las siguientes características:

• Sistema operativo Microsoft Windows versión 95.• Microprocesador Pentium (Pentium 133 mínimo).• 32 megabytes (MB) de RAM (64 MB recomendado).



• Unidad CD-ROM.• 20 MB disponibles en el disco duro.

9.4. Módulos del AIRMaster+

En la ventana principal del programa AIRMaster+ se muestran los diferentes módulos que contiene. Se puede acceder a cada módulo a través de los botones que se muestran en la pantalla o por medio de la barra del menú principal.

Figura 33. Pantalla principal del programa AirMaster+.

9.4.1. Módulo “Company”

El módulo de Compañía contiene la información que define a la compañía o las compañías existentes en la base de datos de AIRMaster+. El módulo incluye la ventana de Compañía y reporte.

Con la ventana de Compañía se puede seleccionar una compañía existente en la base de datos o crear una nueva. También se puede editar, añadir o ver información de la compañía seleccionada.



Esta ventana contiene dos secciones; la parte superior muestra una lista de las compañías que existen en la base de datos y en la parte inferior se muestra la información de la misma.

Figura 34. Módulo “Company”

La ventana de reporte se utiliza para la visualización de la información de cada compañía ingresada en la base de datos.

El reporte de la compañía contiene toda la información desplegada en los campos de la ventana de la compañía.



Figura 35. Reporte del módulo “Company”

9.4.2. Módulo “Utility”

El módulo de la empresa contiene la informacion acerca de las empresas y horarios de trabajo incluidos en la base de datos del AIRMaster+.

Se puede utilizar la ventana de la empresa para seleccionar, añadir, editar o ver el contacto que la empresa tiene.

Esta ventana contiene dos secciones; la superior contiene la lista de las empresas, y la parte inferior muestra la información del contacto.



Figura 36. Módulo “Utility”.

Figura 37. Temporadas y costos.



La ventana de temporada y costos se utiliza para agregar, editar o ver la información de los horarios y tarifas de energía. Se puede crear un catálogo de tarifas industriales.

La ventana contiene dos secciones principales; la sección del superior enumera las instalaciones y la temporada, la sección más baja exhibe la información del costo de la tarifa.

Figura 38. Reporte de Tarifas.

El informe de la tarifa es para ver o para imprimir la empresa actual y la tarifa, o todas las instalaciones y tarifas.

El informe contiene dos secciones principales; la sección de arriba enumera la información para uso general, y la sección más baja enumera la información de la tarifa. También se puede visualizar el informe que exhibe todas las instalaciones y tarifas, cada expediente de tarifa comienza en una página nueva.



9.4.3. Módulo “Facility”

Este módulo contiene la información acerca de los datos del sitio donde se ubica la instalación, los datos de la tarifa y un resumen de los compresores de aire.

La ventana permite que se agregue o que se corrijan los datos de la ubicación de la instalación; se puede seleccionar el bloque de la tarifa; y se puede ver un resumen de todos los compresores de aire.

Figura 39. Módulo “Facility”

La ventana de la instalación tiene dos hojas: la hoja de la información de la instalación y el resumen del compresor. La lengüeta de la información de la instalación exhibe datos de la dirección, contacto y consumo anual de energía. La lengüeta del resumen de compresores exhibe los datos de la placa de identificación y del funcionamiento para cada compresor de aire.

La información de ambas pestañas se relaciona con la instalación seleccionada. Los botones de la ventana se aplican a la instalación seleccionada, sin importar cual de las pestañas esté activada.

Se puede utilizar la pestaña de la información para agregar o corregir los datos de la ubicación, tales como la dirección y el consumo total de la energía anual. También se puede seleccionar o ver el bloque de temporada y costo de la tarifa. Aunque no se puede cambiar la definición de una tarifa en esta pestaña, se puede elegir la tarifa que se necesite.



La tarifa seleccionada aquí, afecta los costos en otros módulos.

Figura 40. Resumen de compresores.

La pestaña del resumen de los compresores es para ver datos de la placa y del funcionamiento del compresor de aire y la asignación del compresor de aire para la instalación. Esta información resume los datos incorporados a los módulos del compresor, del perfil, y refleja el inventario del compresor de aire. Los totales del sistema se enumeran debajo de los compresores del sistema, y los totales de la instalación se enumeran en el fondo de la hoja.



Figura 41. Reporte de la instalación.

El informe de la instalación es para ver o para imprimir un resumen del expediente actual o de todos los expedientes.

El informe contiene dos secciones principales para cada expediente; la sección de arriba enumera la información de la instalación, y la sección más baja enumera la información del compresor.



9.5.4. Módulo “System”

El módulo del sistema contiene la información del sistema de aire comprimido, diseño, puntos de ajuste del secuenciador, control automático de la presión y usuarios finales.

Figura 42. Módulo “Sistema”.

La ventana del sistema permite corregir o agregar nuevos sistemas en AIRMaster+. Los compresores de aire se asignan a un sistema en el módulo del compresor. Todos los compresores de aire en el sistema se asumen para descargar en un punto en común. Una instalación puede tener cualquier número de sistemas de aire comprimido, cada uno con su propio inventario de compresores y usuarios finales.

La ventana del sistema tiene cuatro pestañas:

1. La pestaña de los datos del sistema, exhibe la información del contacto del sistema de aire comprimido y la estadística básica del sistema de aire comprimido.

2. La pestaña de los datos del secuenciador, da la información de la gama controles de presión. Esta lengüeta no se utiliza si no se utiliza un secuenciador automático.

3. La lengüeta de los días de uso, se enumeran los diversos días de uso para el sistema durante cada estación. Un día de uso se debe especificar para los días que ofrecen horario de funcionamiento similar, tal como días de la producción, los días laborables, los fines de semana o los días de fiesta.



4. La lengüeta de los usuarios finales, se enumeran usos finales incluyendo las herramientas del aire en un sistema comprimido seleccionado del aire. Esta lengüeta requiere la presión del aire y la de funcionamiento.

Figura 43. Reporte del sistema de aire comprimido.

En el reporte se exhiben e imprimen la información actual del sistema, con o sin la información del usuario final.



9.5.5. Módulo “Compressor”

El módulo del compresor contiene la información sobre el inventario de los compresores de aire.

Figura 44. Módulo “Compressor”.

La ventana del inventario del compresor permite corregir o ver el inventario de los compresores de aire, información de la placa de identificación, información sobre controles de la descarga, condiciones de la entrada, especificaciones del funcionamiento y costos energéticos calculados. Se puede utilizar esta ventana para agregar un compresor al inventario de AIRMaster+.

AIRMaster+ contiene dos bases de datos del compresor:

1. La base de datos del inventario (datos que describen los compresores en servicio y de repuesto)

2. La base de datos del catálogo (el que describe los datos genéricos de los compresores).



La ventana del inventario del compresor tiene cuatro pestañas:

• La pestaña de la placa de identificación, exhibe la información de la placa de identificación del compresor.

• La pestaña de los controles, informa sobre los controles del compresor.

• La pestaña del rendimiento, exhibe condiciones de entrada y especificaciones del

funcionamiento del compresor.

• La pestaña de los totales, exhibe los costos energéticos calculados.

La información de las cuatro pestañas se relaciona con el compresor seleccionado. Los botones de la ventana se aplican al compresor seleccionado, sin importar cual pestaña esté activa.

El gráfico del perfil de funcionamiento muestra la potencia a lo largo del eje Y, y el flujo de aire (como porcentaje de la capacidad) a lo largo del eje X. Este gráfico se obtiene por el botón del perfil de la ventana del inventario del compresor. El gráfico del perfil del funcionamiento representa el compresor seleccionado.

Figura 45. Perfil de carga.

La ventana del inventario del compresor permite la búsqueda de compresores en la base de datos del AIRMaster+. Estos compresores se pueden clasificar y enumerar por el tipo de



compresor, tipo de control, fabricante, potencia (en caballos de fuerza), capacidad, presión de la descarga.

La ventana del inventario del compresor contiene dos secciones principales; la sección superior exhibe los criterios para su búsqueda y la sección más baja enumera los compresores del inventario que satisfacen dichos criterios.

Figura 46. Inventario de los compresores.

La ventana del detalle permite corregir o ver la información detallada sobre el compresor seleccionado.

La ventana del detalle del inventario del compresor tiene cuatro lengüetas:

• La pestaña general de datos, que exhibe las especificaciones detalladas sobre el compresor de aire.

• La pestaña del motor, que exhibe las especificaciones para el motor del compresor.

• La lengüeta del ventilador, que exhibe las especificaciones para el ventilador del compresor.

• La otra lengüeta de los datos, que exhibe los detalles de la carga.



Figura 47. Detalle del compresor.

El informe del inventario del compresor se utiliza para ver o para imprimir la información resumida o detallada para el compresor seleccionado o todos los compresores del inventario.

Los informes del inventario del compresor contienen la información de las ventanas del detalle del inventario, del compresor y del inventario.



Figura 48. Reporte de inventario de compresores.

9.5.6. Módulo del “perfil”

El módulo del perfil contiene la información del flujo de aire y la información de la carga para cada compresor por hora en un sistema.

La ventana de los perfiles del sistema permite corregir o ver datos a cada hora del perfil y el orden de conexión en cascada del compresor. También se ve la entrega del flujo de aire y la carga de cada compresor y del sistema. Los datos promedio del perfil (flujo de aire o consumo de energía).



Figura 49. Módulo de “Perfil”.

AIRMaster+ utiliza los datos y la información de cada hora estimados o los medidos del para determinar el flujo de aire y la carga de cada compresor. Si se proveen los valores del flujo de aire, AIRMaster+ determina la energía media por hora y viceversa. Las contribuciones individuales del compresor de aire se suman para proporcionar el total por hora del flujo de aire y de la carga del sistema.

La ventana de los perfiles del sistema tiene tres pestañas:

• La pestaña de datos es donde se incorpora el ajuste cada hora que ordena o de conexión en cascada, y datos del perfil de la circulación de aire o de la carga

• La pestaña del resumen de perfil exhibe los requisitos del flujo de aire y de la carga para cada compresor y el total sistema. Se pueden ordenar o conectar en cascada.

• La lengüeta de los totales exhibe los requisitos de flujo de aire, la carga del sistema, los costos anuales de energía y demanda del sistema.

El informe del perfil del sistema contiene tres secciones principales para cada perfil del sistema: Entrada de datos, resumen del perfil, y totales del perfil del sistema. Estas secciones y



los campos dentro de ellos contienen la información de las tres pestañas correspondientes de la ventana de los perfiles del sistema.

Figura 50. Reporte del modulo del perfil.



9.5.7. Módulo de “Medidas de eficiencia energética”

El módulo de las medidas de eficiencia energética contiene la información sobre las medidas incluidas en el sistema.

Figura 51. Medidas de eficiencia energética.

La ventana de las medidas de la eficiencia energética2, permite que el usuario cree un escenario y corrija o analize escenarios de la eficiencia energética. Se utiliza la ventana de las medidas del ahorro energético para tener acceso a las ventanas individuales de EEM, a la ventana de los resultados de EEM, o a la ventana del análisis del ciclo de vida.

La orden de las EEM afecta los ahorros en los pasos subsecuentes, así que se pueden estudiar los efectos de poner una medida en ejecución después del análisis completo.

La ventana de las medidas de ahorro tiene dos pestañas: la lengüeta de datos y el resumen de los ahorros.

• La pestaña de datos exhibe las selecciones y la medida de la eficiencia energética (EEM) considerandas en el escenario y tiene acceso a una ventana que da los resultados seprados para cada EMM aplicada.

2 Una medida de eficiencia energética (EEM) es un cambio específico a un sistema de aire comprimido.



• La lengüeta resumen de los ahorros exhibe un resumen de los ahorros de todo las EEM del escenario.

Figura 52. Resumen de medidas de ahorro.

La información en ambas lengüetas se relaciona con la instalación, el sistema y el escenario seleccionado.



Reducción de fugas de aire.

La ventana de reducción de fugas de aire se utiliza para agregar, corregir o ver la medida del rendimiento energético para el escenario propuesto. Aquí se incorporan las contribuciones del compresor para alimentar las fugas, se calcula la carga de la fuga (en acfm y el porcentaje del total del sistema) y se propone una cantidad en la reducción de la fuga.

Figura 53. Reducción de fugas de aire.

Esta medida supone que se tiene una carga constante de fugas de aire para el sistema comprimido.

La ventana de la reducción de fugas de aire contiene tres secciones principales:

En la información general de esta medida se muestran los compresores que alimentan las fugas y los valores del flujo de aire. En el botón de los resultados de EEM se exhiben la energía a cada hora, la circulación de aire y la secuencia del sistema después de que esta medida se pone en ejecución.



Mejoras en la eficiencia del usuario final.

La ventana de las mejoras en la eficiencia del usuario final se utiliza para agregar, corregir o ver esta medida para el escenario propuesto.

Esta ventana se utiliza para incorporar las cantidades de la reducción del flujo del sistema para cada hora y para cada mejora en el usuario final. Las reducciones en el flujo de aire pueden ser fijas o variables. AIRMaster+ utilizará los datos incorporados en la reducción de aire para calcular ahorros de la energía. Los perfiles propuestos del flujo del sistema se reparten entre los compresores de aire disponibles.

Algunas posibles medidas del usuario final son: la eliminación de soplar o de los aspiradores abiertos; adición de inyectores eficientes; sustituir una herramienta neumática por una herramienta eléctrica; y usar un soplador en vez del aire comprimido a alta presión.

Figura 54. Mejoras en el usuario final.

La ventana de las mejoras de la eficiencia del usuario final del mejorar contiene tres secciones:

• La sección superior exhibe la mejora seleccionada del uso final.

• La sección central exhibe la información de carácter general.

• La sección de abajo muestra la reducción del flujo de aire.



Reducción de la presión del sistema.

La ventana de la medida de reducción de presión se utiliza para agregar, corregir o ver la dicha medida para el escenario seleccionado.

Se puede utilizar esta medida para reducir la presión de descarga de todos los compresores de aire se una cantidad específica AIRMaster+ modifica los perfiles del flujo de aire y de la energía del sistema para reflejar la operación en una presión más baja. Con menor presión del aire comprimido para los usuarios finales, las fugas de aire también se reducen.

Figura 55. Reducción de presión.

La ventana de la reducción de presión del sistema contiene dos secciones principales; la sección superior exhibe la instalación y el sistema, y la información que se exhibe más abajo de la sección es acerca de la reducción de la presión del sistema.



10. APLICACIÓN A UN CASO REAL.

Para la aplicación del caso real se cuenta con mediciones de parámetros eléctricos realizadas a una empresa dedicada a la manufactura de herramientas. Esta fábrica requiere de un sistema neumático, el cual es el consumidor principal de aire comprimido.

10.1. Descripción de la empresa.

La empresa comenzó en 1907 como una pequeña fundición, que llegó a ser el fabricante más grande de válvulas y plomería cromada en América Latina. Actualmente agrupa fábricas de valvulería y plomería de bronce, herramientas de mano, y bonetería.

Las instalaciones de manufactura están certificadas ISO 9001

Las familias de productos son:

• Refacciones • Pinzas y tijeras • Organización y almacenamiento • Mercadeo • Llaves mecánicas (cromadas) • Llaves industriales (negras) • Juegos combinados • Herramientas para tubo • Herramientas para tornillos • herramientas para terminados • Herramientas para taladrar • Herramientas neumáticas • Herramientas eléctricas • Herramientas de torque • Herramientas de medición • Herramientas de mango largo • Herramientas de golpe • Herramientas de corte • Herramientas automotrices • Herrajes para cable y cadena • Fijación • Extractores y prensas • Equipo de seguridad • Eléctricos • Dados y accesorios "de mano" • Dados y accesorios "de impacto"



La fabrica se encuentra actualmente con una tarifa de suministro eléctrico tipo HM y se ubica en la región sur, tiene un consumo mensual de energía eléctrica de 308,665 kWh /mes y una demanda facturable promedio de 1,002 kW y paga alrededor de $271,352 pesos mensuales por concepto de energía eléctrica, opera dos turnos de trabajo, los cuales tienen el siguiente horario.

Primer turno 7:00 – 19:00 horasSegundo turno 19:00 – 7:00 horas

10.2. Descripción del proceso.10.2. Descripción del proceso.

El proceso de la fabricación de herramientas consta de alguno o varios de los siguientes pasos.

Corte: La materia prima son barras cilíndricas de diversos diámetros de 6 metros de longitud, las cuales se cortan en diferentes tamaños en función del tipo de pieza que se desee fabricar.

Forjado: En este proceso se calientan barras de acero a temperaturas de 800-1200 °C mediante hornos eléctricos o de gas. Ya que alcanzan esta temperatura se transforma la barra de acero a una determinada herramienta mediante maquinas denominadas martillos, los cuales, mediante el aplastamiento que se ejercen sobre la barra metálica y el molde que tiene el martillo se le da la forma deseada; estos martillos son neumáticos y son los principales usuarios del aire comprimido.

Troquelado: En este proceso se utilizan máquinas troqueladoras, las cuales tienen diferentes tipos de moldes que se aplican en función de la herramienta que se desea fabricar mediante el cual se le quitan los bordes o rebabas de la herramienta que proviene del proceso de forjado.

Normalizado: Es un tratamiento térmico que aplica a las piezas forjadas, el cual proporciona una micro estructura fina y elimina las tensiones efectuadas en el forjado.

Templado y revenido: En estos procesos se aplica el tratamiento de temple y revenido de las herramientas con el fin de que tengan mejores propiedades mecánicas. Consiste en calentar el acero a una temperatura de austenización e inmediatamente enfriarlo para que se obtenga una micro estructura llamada martensita. En condiciones de temple, los aceros son demasiado frágiles para la mayoría de las aplicaciones industriales, por lo cual, después del temple se aplica uno o más revenidos dependiendo del tipo de acero y herramienta que se trate.

Pavonado negro: A algunas herramientas se les aplica el proceso de pavonado que le da un acabado negro mate a la herramienta y la finalidad principal es darle a la herramienta un acabado anticorrosivo.



Vibrado: Las herramientas se pasan a tambores de vibrado en los cuales las piezas o herramientas son pulidas mediante piedras, el continuo movimiento de las herramientas con las piedras.

10.3. Situación actual del sistema de aire comprimido10.3. Situación actual del sistema de aire comprimido

En los próximos apartados se hace la comparación de los datos, gráficas y resultados obtenidos por medio de Excel y utilizando las formulas correspondientes contra lo que se obtiene mediante el programa AIRMaster+.

El sistema de aire comprimido en la empresa está formado por un conjunto de 3 compresores de aire tipo reciprocante de 125 HP y un compresor de respaldo tipo centrífugo de 350 Hp, los cuales suministran aire comprimido a la planta.

La distribución del aire se realiza por medio de un circuito en lazo cerrado, de donde se desprenden circuitos menores hacia las áreas de producción.

A continuación se presentaran los resúmenes de los parámetros eléctricos medidos en los compresores y los parámetros más importantes del sistema.

Se suministra el aire comprimido a la planta mediante 3 compresores reciprocantes y en caso de que alguno de estos compresores salga de operación, se arranca el compresor centrífugo, los datos de placa de los compresores se presentan en las siguientes tablas.

Tabla 5. Datos de placa de compresor reciprocante.Marca Ingersoll randTipo ReciprocanteCapacidad 520 cfmPresión de operación 85 psigPresión máxima de descarga 90 psigMotor hp 125Amperes totales 140Voltaje 440 - 460

Tabla 6. Datos de placa de compresor centrífugo.Marca Ingersoll randTipo Centac II, centrífugoCapacidad 1450 cfmPresion de operación 100 psigPresion maxima de descarga 101 psigMotor hp 350Amperes totales 388Voltaje 440



Los compresores operan a una presión entre 85 psig (inicio de carga) y 90 psig (inicio de descarga) entre estas presiones se modula la carga del compresor desde 25% de carga hasta el 100%. El sistema de aire comprimido tuvo valores en demanda de hasta 503 kW valores máximos con consumos de energía diarios ponderados de 9,586 kWh. Los valores mencionados representan aproximadamente el 15.5% de la demanda de la planta, y el 16.0% de la energía consumida.

Los compresores reciprocantes actuales cuentan con un sistema de control multipasos. Los compresores operan a plena carga, sin carga y en cargas parciales. Estos compresores cuentan con dos pistones y reducen su capacidad al abrir unas válvulas descargando el aire a la atmósfera. El resultado es una reducción proporcional de la potencia con respecto al flujo entregado. Estos compresores trabajan a diferentes niveles de carga al 100%, 75%, 50% y 25%, cuando trabajan en vacío consumen aproximadamente el 17% de la potencia nominal, en la figura 56 se muestra el comportamiento de la potencia (kW) contra el flujo de aire entregado (CFM).

0

20

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Flujo (CFM)

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)

Figura 56. Potencia nominal de placa.



Figura 57. Perfil de carga obtenido con AIRMaster+.

Los compresores se monitorearon durante más de veinticuatro horas del día 18 al 19 de marzo del 2004, con intervalos de tiempo de 5 minutos, el comportamiento de la demanda eléctrica obtenida en estas mediciones se observa en la gráfica figura 58. La curva de comportamiento de los compresores actuales indica lo siguiente, los compresores a plena carga entregarían del orden de 520 CFM demandando una potencia de 102.5 kW, a 75% de carga entregaría 390 CFM con una potencia de 81.28 kW, a 50% 260 CFM y 60 kW, a 25% 130 CFM y 38.7 kW y en vacío estaría consumiendo del orden de 17.42 kW.

De acuerdo con las mediciones eléctricas y los valores correspondientes a las condiciones de referencia de los compresores, se presenta el comportamiento de los compresores en función de la capacidad entregada.



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Compresor A Compresor B Compresor C Total

Figura 58. Comportamiento eléctrico del sistema de aire comprimido.

Figura 59. Comportamiento eléctrico obtenido con AIRMaster+.

Como se observa en las figuras 58 y 59, los compresores trabajan con diferentes niveles de carga, con niveles de carga entre 0% al 100%, sin embargo, el valor promedio de carga de los compresores es: para el A de 54%, para el B de 25% y para el C del 60%.



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Porc

anta

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e C

arga

(%)

Compresor A Compresor B Compresor C

Figura 60. Porcentaje de carga de los compresores.

En la figura 60 anterior se observa claramente el comportamiento de los tres compresores, el compresor A trabaja en niveles de carga entre el 40 y 80% nunca trabaja al 100%, el compresor B gran parte del tiempo trabaja en vacío hasta un valor del 80% y el compresor C es el que trabaja a mayor nivel de carga ya que permanece trabajando al 80% y llega a trabajar hasta el 100%.



Figura 61. Porcentaje de carga de los compresores obtenido con AIRMaster+.

Mediante las curvas de comportamiento de los compresores (CFM Vs. Potencia) y las mediciones realizadas se estimó el flujo de aire (CFM) entregado por los compresores y el total demandado por la planta. El flujo de aire entregado por los tres compresores en promedio es de 724 CFM y el máximo de 1279 CFM. De acuerdo con la figura 62 los requerimientos de aire están normalmente entre 600 y 1000 CFM, sin embargo, se llegan a dar algunos picos que superan los 1000 CFM.



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Fluj

o de

Aire

(CFM

)Compresor A Compresor B Compresor C Total

Figura 62. Flujo de aire comprimido del sistema.

Figura 63. Flujo de aire comprimido del sistema obtenido con AIRMaster+.



10.4. Mediciones eléctricas por compresor.

10.4.1. Compresor A.

El compresor A trabaja con una potencia promedio de 55.93 kW y una potencia máxima de 80.29 kW; este compresor trabaja a un nivel de carga entre 40% al 80% como máximo.

El resumen de las mediciones de los parámetros eléctricos del compresor A se presenta en la tabla 7:

Tabla 7. Parametros eléctricos del compresor A.

VOLTAJE CORRIENTE POTENCIA FACTOR

DEFASE 1-2

FASE 2-3

FASE 3-1

FASE 1

FASE 2

FASE 3 TRIFASICA POTENCIA

PROMEDIO 436.55 436.24 437.47 77.17 79.98 74.72 55.93 0.96MINIMO 425.39 424.47 425.22 49.73 51.87 45.75 34.04 0.93MAXIMO 443.37 443.61 444.76 108.66 112.3 106.99 80.29 0.97

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ncia

(kW

)

Figura 64. Perfil de carga del compresor A.



Figura 65. Perfil de carga del compresor A obtenido con AIRMaster+.

10.4.2. Compresor B.

El compresor B trabaja con una potencia promedio de 38.10 kW y una potencia máxima de 78.90 kW; este compresor llega a trabajar en vacío hasta un nivel de carga del 80% como máximo.

El resumen de las mediciones de los parámetros eléctricos del compresor B se presenta en la tabla 8:

Tabla 8. Parametros eléctricos del compresor B.

VOLTAJE CORRIENTE POTENCIA FACTOR

DEFASE 1-2

FASE 2-3

FASE 3-1

FASE 1

FASE 2

FASE 3 TRIFASICA POTENCIA

PROMEDIO 436.3 435.86 435.42 57.15 52.88 48.62 38.10 0.95MINIMO 424.73 423.48 422.22 23.01 19.67 16.03 13.91 0.87MAXIMO 445.62 445.17 444.72 115.05 109.8 104.92 78.90 0.98



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Figura 66. Perfil de carga del compresor B.

Figura 67. Perfil de carga del compresor B obtenido con AIRMaster+.



10.4.3. Compresor C.

Este compresor es el que trabaja a mayor nivel de carga con una potencia promedio de 61.57 kW y una potencia máxima de 103 kW; este compresor trabaja a un nivel de carga entre 80% al 100% como máximo.

El resumen de las mediciones de los parámetros eléctricos del compresor C se presenta en la tabla 9:

Tabla 9. Parametros eléctricos del compresor C.

VOLTAJE CORRIENTE POTENCIA

FACTOR DE

POTENCIAPOTENCIA REACTIVA

POTENCIA APARENTE

(Volts) (Amperes) (kw) % kVAR kVAPROMEDIO 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00

MINIMO 470.34 86.00 61.57 0.84 35.29 71.20MAXIMO 488.00 140.00 103.00 0.90 49.70 115.00

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(kW

)

Figura 68. Perfil de carga del compresor C.



Figura 69. Perfil de carga del compresor C obtenido con AIRMaster+.

10.5. Consumo de energía y costo de operación.

Tal como se ha comentado en toda esta sección, el sistema de aire comprimido trabaja con tres compresores 24 horas al día de lunes a viernes, los cuales tienen una demanda máxima de 252 kW, el consumo promedio por hora es de 155 kWh, el tiempo de operación anual es de aproximadamente 6,240 horas, esto representa un consumo anual de 969,874 kWh por lo tres compresores. Por otro lado, la empresa tiene contratado el suministro eléctrico en tarifa HM, el cual para el mes de mayo tiene los siguientes costos:

Tabla 10. Precio de tarifa promedio.TARIFA HM

Precio del kW Facturable $104.020Precio del kWH base $0.500

Precio del Kwh Intermedia $0.601Precio del kWH Punta $1.925

Tabla 11. Resumen de consumos de energía.EVALUACIÓN DE COMPRESORES

Potencia total demandada 252.03 kWConsumo de Energía 155.43 kWhConsumo en Periodo Punta 86,826.84 kWh/añoConsumo en P. Intermedio 559,755.98 kWh/añoConsumo en Periodo Base 323,291.41 kWh/añoConsumo Total 969,874.22 kWh/año



Esto significa que el costo de operación con base en sus consumos energéticos es de $1,077,785.00 anuales

Tabla 12. Costos anuales.IMPORTES AL AÑO

Importe en Demanda $346,057.51Importe en Consumo Punta $183,846.27Importe en Consumo Intermedia $370,177.82Importe en Consumo Base $177,703.59Importe Total $1,077,785.20

En el programa AIRMaster+ son 8,760 las horas de operación con un consumo promedio de 1,015 ACFM, con una demanda eléctrica de 239.2 kW con un costo anual de $290,743.00 pesos un factor de carga promedio del 27.1% con un consumo anual de 1,696,108 kWh que tiene un costo de $857,747.00 pesos, para un total de gasto de operación de $1,148,490.00 pesos anuales.

Tabla 13. Tarifa promedio del AIRMaster+.TARIFA HM

Precio del kW Facturable $104.020Precio del kWH $1.00687

Tabla 14. Consumo anual de energía.EVALUACIÓN DE COMPRESORES

Potencia total demandada 233 kWConsumo de energía 1,696,108 kWh/año

Tabla 15. Costo anual con AIRMaster+.IMPORTES AL AÑO

Importe en Demanda $290,743.00Importe en Consumo $857,747.00Importe Total $1,148,490.00



11. EVALUACION DE ALTERNATIVAS DE AHORRO.11. EVALUACION DE ALTERNATIVAS DE AHORRO.

La evaluación de las medidas de ahorro que se presentan a continuación se basa en las medidas propias del programa AIRMaster+. La evaluación de estas medidas solo corresponden al lado de demanda.

11.1. Reducción de fugas de aire.

De acuerdo con los valores introducidos en el programa, el valor máximo que necesita el sistema de aire comprimido por hora es de 1,295 acfm, esto incluyendo las fugas de aire, lo cual representa un 43.0 % de la carga del sistema. Las fugas de aire representan un 5.2% que son 156 acfm. Suponiendo que se tiene una reducción del 10% en los compresores el sistema queda con una demanda de 1139 acfm, que representa el 37.8% con lo cual se tiene un ahorro de 78 acfm.

El programa permite realizar la medida de ahorro con diferentes modificaciones a los parametros eléctricos o de flujo de aire:

• La capacidad de flujo de aire.

• El porcentaje de flujo de aire.

• La potencia de los compresores.

• Los ciclos de de tiempo de los compresores.

• El voltaje y la corriente.

Sin embargo, para términos prácticos de este análisis solo se utiliza el porcentaje de flujo de aire y se da un costo de $100,000.00 al proyecto para poder obtener una evaluacion económica que el sistema nos poporciona automaticamente.

11.1.2. Resultados.

Las horas de operación son 8,760 con un consumo promedio de 937 ACFM, con una demanda eléctrica de 219.2 kW con un costo anual de $273,703.00 pesos un factor de carga promedio del 25.4% con un consumo anual de 1,588,885 kWh que tiene un costo de $803,523.00 pesos, para un total de gasto de operación de $1,077,226.00 pesos anuales.

Esto representa los siguientes ahorros:

Energía – 6.3% que representa 107,223 kwh con un costo anual de $54,224.00 pesos.



Demanda – 13.7% que representa $17,040.00 pesos.

Instalación – $100,000.00 pesos.

Ahorro total - $71,264.00 pesos.

Tasa simple de retorno – 1.4 años.



12. CONCLUSIONES.

La utilización del aire comprimido en algunas industrias es la base central del consumo de energía eléctrica. En industrias como la manufactura de instrumentos mecánicos, el consumo total de la planta es de casi el 100% y debido a la alza en los precios de la energía eléctrica cualquier tipo de ahorro de energía será reflejado en la facturación mensual.

La diversidad de los tipos de sistemas de aire comprimido depende del tipo de uso que se le de a este, por lo cual, un diseño adecuado del sistema de aire (tuberías, compresores, filtros, recipientes de almacenamiento) será reflejado en el consumo de energía eléctrica y por lo tanto en el gasto que se destine al pago de este energético.

Existe una variedad de compresores de aire muy extensa por lo cual se hace necesario contar con una base de datos confiable. El programa AIRMaster+ contiene una base de datos que va desde los 5 hp hasta 600 hp, con la capacidad de anexar compresores genéricos hasta los 3,500 hp. Esta base da una flexibilidad muy grande ya que si no se encuentra el compresor que se requiere o con el cual se cuenta en la industria, se puede adjuntar el propio con sus caracteristicas particulares. La característica anterior es una ventaja tan amplia que en cualquier región se puede utilizar este programa, no solo en el país de origen.

El software tiene una plataforma basada en Windows, lo cual hace muy accesible su uso. El ingreso de datos tiene un orden muy estricto, el programa no permite que nos saltemos pasos ni que omitamos datos de importancia, esto se hace de esta manera para tener un orden que empieza desde la información de la empresa hasta ingresar los perfiles de consumo ya sea en acfm o kW. La secuencia se hace en beneficio del usuario.

La información adquirida por medio de mediciones en planta se compararon con los datos que se ingresaron en la base de datos del AIRMaster+. Esto permitía ver la fidelidad al reproducir datos de un caso real con los resultados arrojados. Los resultados del software indican que el programa es una herramienta confiable para obtener perfiles y datos anuales tanto de consumo como de ahorro de energía.

Una de las desventajas observadas en el AIRMaster+ está en los costos de la energía y las temporadas de facturación.



13. REFERENCIAS.

CURSO OPTIMIZACIÓN DE UN SISTEMA DE AIRE COMPRIMIDOIngeniería Energética Integral.2005

AIRMASTER+ MANUAL

Compressed Air System Assessment and Analysis SoftwareWSU Cooperative Extension Energy Program925 Plum street s.e. building #4p.o. box 43165

IMPROVING COMPRESSED AIR SYSTEM PERFORMANCEThe United States Department of EnergyLawrence Berkeley National LaboratoryWashington, DC

COMPRESSED AIR CHALLENGE®www.compressedairchallenge.org

U.S. DEPARTMENT OF ENERGYEnergy Efficiency and Renewable EnergyIndustrial Technologies Programwww.eere.energy.gov/industry

PAGINA DE INTERNEThttp://www.energy.wsu.edu/org/airmaster


http://www.energy.wsu.edu/org/airmaster


ANEXO


divisiÓn de ciencias bÁsicas e ingenierÍa …148.206.53.84/tesiuami/uami13625.pdf · material de...

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