4. ejemplo red de aire comprimido

8/14/2019 4. Ejemplo Red de Aire Comprimido

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Ejemplo de dimensionamiento de una red de aire comprimido

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M Granada Garca Gonzlez

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

Llegados a este punto del proyecto vamos a realizar un ejemplo prctico de diseo y

dimensionamiento de un sistema de aire comprimido en una planta termosolar

La planta termosolar que se utilizar de ejemplo ser una genrica de 300 M de

u!icaci"n en #spaa$ %odos los datos necesarios de consumos de vlvulas y equipos &an

sido tomados de &ojas de datos y ta!las de distintos suministradores' para poder !asar

as los clculos en datos (ia!les

#n el ane)o * se muestra un plano de u!icaci"n de la planta termosolar as como la

situaci"n de los distintos sistemas de la planta que requieren de la instalaci"n de aire

comprimido$

+e &a seleccionado una con(iguraci"n de dos compresores tra!ajando am!os al ,00-$ .er

con(iguraci"n en (igura /$,

1$,2e(inici"n de parmetros de operaci"n y diseo

4ara el clculo de consumos de esta memoria se consideran las siguientes

condiciones normales de presi"n y temperatura 5condiciones am!ientales6

4 7 , !ar

%7 /8 9:

La temperatura de operaci"n considerada para el sistema de aire comprimido se

esta!lece como 309:' ya que tras la compresi"n del aire ste se calienta$

;dems otro (actor a tener en cuenta es que las tu!eras de aire comprimido van


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

incidencia directa del sol$

La temperatura de diseo del sistema ser /09: mayor que la temperatura deoperaci"n' es decir 809:$

:omo el aire de instrumentaci"n es de mayor importancia que el de servicios' ya

que una (alta de suministro en esta parte de la red supondra un paro de la

planta' ser este quin marque las e)igencias de presi"n$

Las vlvulas de control y equipos presentes en esta planta termosolar marcarn

un consumo de aire a presiones que oscilan entre los >

%alleres >

;guas residuales >

La!oratorio >

#di(ico elctrico >

+eparador de aceite >

;gua alimentaci"n >

;ire comprimido >


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Sistema Aire de instrumentos Aire de servicios

:ontraincendios >

2osi(icaci"n qumica >

;gua desmineralizada > >.apor alta y media presi"n >

?igura 1$, %a!la de sistemas que precisan de aire comprimido

1$3#stimaci"n del consumo de aire comprimido de la planta

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

les aadir los (actores correspondientes de so!redimensionamiento para una

estimaci"n ms e)acta de cada tipo de aire' agrupando en esta secci"n los

puntos 3$3 y 3$8 del captulo anterior$

2e esta (orma se o!tendr de una (orma ms clara el caudal total de aire

comprimido necesario en la planta$

1$3$, 2esignaci"n de cantidad de ;ire de *nstrumentos

4ara estimar el consumo de aire de instrumentos se considerarn los siguientes

parmetros de partida' e)cepto para el caso de las calderas y de las tur!inas$

:onsumo unitario de las vlvulas de control ,$1 @m

3

A&?actor de simultaneidad de las vlvulas de control ,00 -

:onsumo unitario de las vlvulas todoAnada / @m3A&

?actor de simultaneidad de las vlvulas todoAnada ,8 -

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

requieren aire de instrumentaci"nB despus de consultar varias &ojas de datos de

suministradores de calderas se va a considerar cada caldera con ,/ cone)iones


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para aire de instrumentos y con una presi"n mnima de suministro de aire de


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Sistema Tipo de Consumidor N Total

Consumo

Unitario

(Nm3/!

"actor de

simultaneidad

(#!

Consumo

Total (Nm3/!

A$ua dealimentaci%n

.lvula de control 0 ,$1 ,00 0

.lv %odonada 0 / ,8 0

#quipos 0 0 ,00 0

A$ua de servicios


.lv %odonada , / ,8 0$3

#quipos 0 0 ,00 0

Aire comprimido


.lv %odonada , / ,8 0$3

#quipos / 0 ,00 0

Contraincendios



#quipos 0 0 ,00 0

A$ua

desminerali&ada /

condensado



#quipos 0 0 ,00 0

'nriamiento

au)iliar

.lvula de control / ,$1 ,00 /$D


#quipos 0 0 ,00 0

*ur$a intermitente



#quipos 0 0 ,00 0

+as com,usti,le

.lvula de control / ,$1 ,00 /$D

.lv %odonada , / ,8 0$3

#quipos 0 0 ,00 0

-apor Alta media

presi%n



#quipos 0 0 ,00 0

Calderas

.lvula de control /1 ,$1 ,00 ,,$8

.lv %odonada D / ,8 /$1

#quipos / 3$8 ,00

Tur,inas

.lvula de control // 0$// ,00 1$D1

.lvula de control /0 0$1/ ,00 D$1

.lv %odonada 1< 0$1/ ,8 /$D=D

#quipos 0 0 ,00 0

Tratamiento de

a$ua


.lv %odonada 0 / ,8 0#quipos 0 0 ,00 0


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Sistema Tipo de Consumidor N Total

Consumo

Unitario

(Nm3/!

"actor de

simultaneidad

(#!

Consumo

Total (Nm3/!

0osiicaci%n 1u2mica

al ciclo



#quipos 0 0 ,00 0

0osiicaci%n 1u2mica

a reri$eraci%n



#quipos 0 0 ,00 0

A$uas residuales

industriales



#quipos 0 0 ,00 0

A$uas residuales

sanitarias



#quipos 0 0 ,00 0

Total -lvulas 7 Total 3.538

?igura 1$3 %a!la consumos de aire de instrumentaci"n

4or lo tanto se tienen los siguientes resultados

%otal vlvulas :onsumo 5@m3A&6,/ /03$81

#l nFmero de !otellas distri!uidoras' dependiendo de la situaci"n de los

consumidores y del nFmero de vlvulas a alimentar' ser de 1, !otellas' tal y

como se ver en el esquema realizado con el 4*4# ?LH en el apartado 1$$

:omo se coment" en secciones anteriores el aire de instrumentaci"n de!e ser

secado' por lo que adems de los (actores que se enunciaron en la secci"n

anterior tam!in &emos de tener en cuenta el consumo de aire por parte de los

secadores$

4ara el clculo del caudal total de aire de instrumentos se consideraran por tanto

los siguientes (actores


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,8- purgas secadores 5#stos equipos entregan el aire con un punto deroco de 109:$6

,0- por posi!les (ugas

,0- para (uturos requerimientos$ /0- por incertidum!re en el conteo de los instrumentos

%ras aplicar estos (actores este caudal se incrementa a un caudal total de

635.5 Nm3/

1$3$/ 2esignaci"n de cantidad de ;ire de +ervicios

4ara la ilustraci"n de este ejemplo se tendr en cuenta las siguientes

consideraciones

+e &a zoni(icado la planta en ,3 zonas en !ase a los tipos de uso ypro)imidad$

+e &a supuesto como &ip"tesis un radio de acci"n 5alcance6 apro)imado de,0 m por cone)i"n$ #n !ase a esta &ip"tesis' se &a supuesto un nFmero

apro)imado de cone)iones por zona segFn el radio de acci"n' amplitud de la

zona a a!astecer y tipos de sistemas e)istentes en la zona$

+e &a supuesto un consumo medio y (actor de simultaneidad por cone)i"n+uponiendo el nFmero de cone)iones por zona y un (actor de simultaneidad del

30- se o!tendr el valor de la columna de consumo total' primero por zonas y la

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

muestra en la siguiente ta!la$


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*denti(icaci"n de

consumidores o zonas

Iadio de

acci"n de

cada

cone)i"n 5m6

:one)iones

:onsumo

Jnitario

5@m3A&6

?actor de

+imultaneidad

5-6

:onsumo

%otal

5@m3A&6

Kona :aldera , 10 8 15 30 //$8

Kona :aldera / 10 8 15 30 //$8

Kona tur!ina , 10 < 15 30 /

Kona tur!ina / 10 < 15 30 /

Kona almacenes 10 1 15 30 ,D

%anques y agua servicio 10 / 15 30 =

4lanta tratamiento agua 10 , 15 30 /$8

%anques ;gua demi y

condensado 10 1 15 30 ,D

Kona estaci"n de gas 10 , 15 30 /$8

%aller electromecnico 10 / 15 30 =

;guas residuales 10 , 15 30 /$8

#di(icio

elctricoAla!oratorio 10 1 15 30 ,D

+eparador aceites 10 / 15 30 =

Total (6s! 43 93.5

?igura 1$1 %a!la consumos de aire de servicios$

#l total o!tenido de dic&as cone)iones es de ,=3$8 @m3A&$ +e aade a dic&o

consumo

,0- por posi!les (ugas ,0- para (uturos requerimientos$

H!teniendo' por lo tanto un caudal total para el aire de servicios de

6s 3. Nm3/


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1$14resiones de operaci"n

+e (ijar la presi"n de operaci"n del sistema en la presi"n del aire deinstrumentos' ya que esta va a ser mayor que la del aire de servicios$ :omo el

aire de instrumentos como m)imo (luir por la tu!era a = !argB 5tal y como se

ver en la secci"n 1$6 segFn nuestra estimaci"nB y el aire de servicios tiene una

presi"n menor' tomaremos esta como nuestra presi"n de operaci"n del sistema

La presi"n de diseo del sistema suele tomarse ,$/ veces la de operaci"nB en

este caso ,0$D !arg$

1$8?actores para dimensionamiento

:omo !ien puede recordar el lector todos los (actores a tener en cuenta para el

clculo (inal del caudal de aire comprimido (ueron aplicados directamente en el

punto 1$3' teniendo as los caudales totales de aire de instrumentos y de aire de

servicios$ 4or lo tanto el caudal (inal de aire comprimido de nuestra planta ser

6 6: 6s 35.5 :3. 547.7 Nm3/

1$


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%eniendo en cuenta el caudal de aire de cada tramo de tu!era se &ar una

estimaci"n del dimetro y si esto no es correcto o las prdidas de carga son muy

elevadas este se aumentar y en caso contrario se disminuir$

1$:lculo de prdidas de carga

#n la secci"n 3$ del proyecto que nos ocupa se mostraron varios mtodos para

el clculo de las prdidas de carga de la instalaci"n' no o!stante se &a decidido

realizar el clculo de stas mediante la utilizaci"n del programa 4*4# ?LH por

ser !astante ilustrativo e intuitivo' adems de dar una visi"n general de c"mo

sera una instalaci"n de aire comprimido$

;ntes de comenzar el clculo de las prdidas de carga se va a &acer una !reve

introducci"n del 4*4# ?LH y de su manejo$

#l 4*4# ?LH #>4#I% est diseado para ayudar a analizar y resolver una amplia

gama de pro!lemas en los que el o!jeto de estudio de!e ser la prdida de caudal

y presi"n a travs de una red de tu!eras determinado$ #ste programa permite

di!ujar un complejo sistema de tu!eras y analizar el (lujo que circula por ellas'

en el caso que nos ocupa aire comprimido$

?igura 1$8$*magen 4*4# ?LH #>4#I%


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#l 4*4# ?LH #>4#I% nos va permite &acer un anlisis del (lujo y tu!eras a las

condiciones de operaci"n del (luido' dndonos resultados (inales por tramos de

tu!eras que incluyen

.elocidades del (lujo @Fmeros de Ieynolds Las prdidas de componentes :ada de presi"n en el tramo Las presiones en los nodos Los (actores de (ricci"n

+e podr elegir las unidades de medida de los datos de entrada y salida' as como

elegir las varia!les de entrada a la &ora de disear el sistema de aire

comprimido'

4*4# ?LH #>4#I% permite disear una red de aire comprimido de manera

rpida' sencilla e intuitiva$ :on sus &erramientas se di!ujar de (orma

esquemtica el sistema' este programa permite incluir no s"lo el trazado de

tu!eras' sino tam!in tanques' !om!as' vlvulas' vlvulas de control' etc$

?igura 1$4#I%


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:omo primer paso en el diseo de la red de aire comprimido se seleccionar el

compresor' como el programa no o(rece esta opci"n se tratar como un tanque

presurizado' al cual se le aadir la presi"n en la casilla +ur(ace 4ressure$ #n

principio se aade la presi"n mnima necesaria que requiere el sistema de aire

comprimido en el punto ms lejano'


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:omo se puede ver en la (igura 1$D el programa asigna directamente un nFmero

a cada nodo de tu!era colocadoB esto (acilitar muc&o el tra!ajo a la &ora de

analizar los resultados' ya que el report de clculos viene dividido por tamos de

tu!eras y nom!rado segFn los nFmeros de los nodos$ %odo ello se ver msadelante cuando se o!tengan los resultados del sistema de aire comprimido que

se est estudiando$

4or otro lado a cada tramo de tu!eras que se coloque se le podr introducir la

longitud' el material' el dimetro' la rugosidad y la valvulera para calcular de

esta (orma las prdidas de carga por tramo lo mas e)actas posi!les$ ;lgo vital

que no se puede olvidar es introducir el (luido que circula por la tu!era y las

condiciones tanto de presi"n como de temperatura a las que se encuentra$ .er

(igura 1$=

?igura 1$ =$ +elecci"n del (luido y condiciones de operaci"n$

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

tu!eras de aire comprimido$

Lo primero que se realizar ser la selecci"n del material de la tu!era' en este

caso se utilizar acero galvanizado para el aire de servicios y acero ino)ida!le

para el aire de instrumentaci"n y la salida del compresor$


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?igura 1$,0 +elecci"n materiales tu!eras

:omo se puede o!servar en la (igura 1$,0 el programa da la opci"n de elegir

numerosos tipos de material' con distintos +c&edule adems de mostrarnos el

rango de dimetros en los que estos estn disponi!les$ +i el material que se

desee no se encuentra entre las opciones del programa se podr aadir un

nuevo material con las caractersticas que interesen$

#ste proceso de elecci"n del material se &a de realizar con la colocaci"n de cada

nuevo tramo de tu!era' tanto para el aire de servicios como para el de

instrumentaci"n$

Jna !uena opci"n es disear en primer lugar la red de aire comprimido y una vez

terminada y visualizada comenzar a modi(icar las propiedades de cada tramo de

tu!eras' es decir seleccionar dimetro' material' (luido' introducir longitud y

valvulera$ .er (igura 1$,,


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?igura 1$,, +istema aire comprimido


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La (igura 1$,, representa la distri!uci"n que se &a supuesto para el sistema de

aire comprimido$ :omo se puede o!servar se &a colocado s"lo un compresor

aunque la planta posea dos ya que estos tra!ajan / al ,00-' es decir' uno

tra!ajando al ,00- y el otro parado y viceversa$ 4or este motivo y para &acerms visual los clculos no se &a introducido el otro compresor' ya que am!os

de!en estar dimensionados para el ,00- del caudal de aire comprimido$

%am!in se &an colocado los (iltrosApost(iltros y secadoras simulndolos con

cajas con prdidas de carga asociadas$ #stas prdidas de carga se &an o!tenido

de las &ojas de datos de suministradores' siendo de 0'/ !ar para las secadoras y

de 0$8 !ar$ 54rdidas de carga recomendadas por el manual del aire comprimido

de ;tlas :opco6

+e o!serva en la (igura 1$,, que a la salida del compresor est el colector comFn

para am!os aires' llegados a un punto estos se !i(urcan di(erencindose

claramente el aire de instrumentaci"n 5tu!era roja6 del aire de servicios 5tu!era

!lanca6$

La red de aire de servicios tiene ,3 tomas de aire comprimido segFn las zonas de

la planta termosolar indicadas en la ta!la 1$1$ 4ara el aire de instrumentaci"n se

&a supuesto una con(iguraci"n con 1, !arriles distri!uidores de aire comprimido'

los cuales &an u!icado atendiendo a la u!icaci"n de los sistemas y equipos en la

planta 5ver ;ne)o *6' as como a los di(erentes consumos$ Mencionar que pueden

e)istir di(erentes con(iguraciones validas para la red de aire comprimidoB pueden

reducirse o aumentarse el nFmero de tomas o !arriles distri!uidores$ La

variaci"n del nFmero de !arriles de aire comprimido a(ectar a la velocidad del

caudal de aire comprimido en la tu!era y a las prdidas de carga del tramo de

redB pero siempre que se est dentro de los mrgenes de presi"n o

consideraciones marcadas la distri!uci"n ser vlida$

#l colector comFn se &a dimensionado para todo el caudal de aire comprimidoque requiere nuestra planta' que era igual a la suma del caudal del aire de


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instrumentaci"n y servicios 81$ @m3A&$ #ste tramo de tu!eras se &a

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

suelen tener grandes dimensiones$

+i al analizar el report (inal con los clculos se o!serva que las cadas de presi"n

son muy altas en este tramo de lnea se aumentar este dimetro a 1' y as

sucesivamente &asta conseguir los valores deseados de prdidas de carga$ .er

(igura 1$,/

?igura 1$,/ 2imetro colector principal$

#l colector principal de las tu!eras del aire de instrumentaci"n se &a

dimensionado para /' ya que su caudal es de 3,8$ 8 @m3A&$ +e &a utilizado

acero ino)ida!le' ya que se precisa para la instrumentaci"n de la planta aire de

gran pureza y calidad$

#l (luido para este tipo de aire se &a seleccionado como aire a 309: y = !arg' ya

que el aire de instrumentaci"n est tra!aja entorno a este valor$ .er (igura 1$,3


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?

igura 1$,3 propiedades aire de servicios

4ara las cone)iones de los !arriles de aire de instrumentaci"n se &a

dimensionado inicialmente la tu!era para , ' aunque este dimetro se

modi(icar si resultan prdidas de carga muy altas en estos tramos de tu!eras$:ada !arril distri!uidor de aire comprimido tiene una capacidad de ,8 @m

3A&'

por lo tanto lo que se &a de &acer es repartir los consumos de aire de

instrumentos de la ta!la 1$3 en 1, tomas segFn las zonas y consumos quedando

la distri!uci"n de aire de instrumentos como se muestra en la (igura 1$,1$


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?igura 1$,1 2istri!uci"n aire de instrumentos


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4ara el aire de servicios el proceso seguido &a sido el mismoB se &an (ijado las

propiedades de este tipo de aire en 309: y D !arg' un poco ms !aja que la del

aire de instrumentaci"n$ .er (igura 1$,8$ :omo el aire de servicios tra!aja a

menor presi"n que el aire de instrumentos' se &a de dimensionar el compresor yla red para el caso ms des(avora!le' por lo que se &a de colocar vlvulas en cada

toma del aire de servicios para as o!tener las presiones deseadas en las

cone)iones$ Iecordar que &an de tenerse en cuenta las prdidas que

proporcionan estas vlvulas de cone)i"n$

?

?igura 1$,8 4ropiedades aire de servicios

+e &a dimensionado el colector principal de la instalaci"n de servicios en / y

cada una de las cone)iones de mangueras (le)i!les de las zonas enumeradas en

la ta!la 1$1 se &an dimensionado en ' ,3 en total' ya que todas las mangueras

se calcularon para un caudal de ,8 @m3A&' y aunque no todas las cone)iones se

utilicen a la vez se considerar para el clculo con el 4*4# ?LH el caso ms

des(avora!le$ 4ara no &acer un cam!io !rusco de dimetro entre los tramos de

/ y la toma de se &an colocado pequeos tramos de tu!eras de ,

evitando as grandes prdidas de carga en estas zonas$


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La distri!uci"n del aire de servicios quedara

?igura 1$,< 2istri!uci"n aire de servicios

Las longitudes de las tu!eras de toda la instalaci"n de aire comprimido se

conseguirn del plano de implantaci"n de la planta termosolar 5.er ;ne)o *6'

estimando la colocaci"n de las salidas de aire y sumando a estas distancias las

posi!les su!idas y !ajadas del racN de tu!eras$

Htro (actor que se &a de tener en cuenta es la estimaci"n de codos y tOs$ 4or

cada ,0m de tu!era que se tengan se &an de asignar las prdidas de carga de un

codo' una Pt y 3 vlvulas$


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?igura 1$, 4rdidas de carga accesorios

:omo se puede ver en la (igura 1$, el 4*4# da la opci"n de elegir los elementos

con prdida de carga que aadir en los tamos de tu!eras$ #l programa da una

descripci"n del accesorio as como un valor de C estimado$ :on el 4*4# ?LH

#>4#I% tam!in se podr aadir cualquier otro accesorio que se desee e

introducir sus propiedades$

Jna vez (inalizado este proceso se va a proceder a calcular las prdidas de carga

en la instalaci"n de aire comprimido' para ello antes se (ijar la presi"n del

compresor en = !arg' para conseguir cumplir el requisito de llegar con


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;l simular el sistema se o!serva que no se suministra la presi"n su(iciente a la

zona de calderas y sin em!argo la prdida de carga en los tramos de tu!eras son

razona!les' por lo que estn !ien dimensionados$ +e ir aumentando la presi"n

del compresor y simulando &asta que se consiga o!tener un valor superior a


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; continuaci"n se va mostrar un e)tracto del report de resultados generado por

el 4*4# ?LH #>4#I%' donde se ver con ms claridad las presiones en los

nodos' las velocidades de los distintos tramos de tu!era etc$

*ipe

Name;en$t Total < -elocit

'ntr

*ressure

')it

*ressure

'ntr to

')it ;oss

4, 3 /',/ ,D'03 ,0'0=


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+era !astante interesante sa!er la presi"n a la que arrancar el compresor' valor

el cual &ar (alta para el (uturo dimensionamiento de los tanques' para ello se

supondr que todas las tomas de aire de la instalaci"n estn cerradas e)cepto las

de las zonas de calderasB que en esta aplicaci"n est marcando las e)igencias delaire comprimido$

4ara ello se cerrarn todas las tu!eras en el 4*4# ?LH #>4#I%$ #n la (igura 1$,=

se muestran estas cone)iones cerradas con aspas en las tu!eras y con un color

ms claro$

?igura 1$/0 :ierre cone)iones e)cepto calderas

Jna vez cerradas todas las cone)iones tanto del aire de servicios como del aire

de instrumentaci"n' se calcular la presi"n necesaria en el tanque de

instrumentos para que a las calderas lleguen como mnimo


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?igura 1$/, 4resi"n mnima en zona calderas

%ras simular con el 4*4# ?LH se o!serva que de!e &a!er entorno a


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4=< /'8 0 0'/


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1$D+elecci"n de equipos

4.8.1 Seleccin del compresor:

#l compresor seleccionado para la instalaci"n de aire &a de cumplir los

siguientes parmetros calculados en las secciones anteriores

Temperatura de operacin 309: Temperatura de diseo 809: Presin de arranque


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,$ %iempo de residencia de ,8 minutos$/$ #l caudal que llega al tanque de instrumentos despus de pasar por las

secadoras ser el caudal total del aire de instrumentos menos el ,8- '

(actor que se consider" en el punto 1$3$, para dic&os equipos

Rtanque ;$*7 /


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;rranque del compresor


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.;* 7.

...

51$


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%anto los post(iltros como las secadoras tra!ajaran al igual que los compresores

en una con(iguraci"n / al ,00-' para que en caso de (allo o avera no se quede

nunca la planta sin suministro de aire de instrumentaci"n

Los post(iltros al estar situados detrs de las secadoras de!ern de (iltrar el

caudal de instrumentaci"n menos el ,8- consumido por las secadoras' es decir

=8. Nm3/.

4. ejemplo red de aire comprimido

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