Fundamentos Tecnicos de Diseño y Operación de Compresores Para Gnv

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FUNDAMENTOS lECNICOS DE DISEÑOY OPERACiÓN DE COMPRESORES

PARAGNV

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FUNDAMENTOS TECNICOS DE

DISEÑO Y OPERACiÓN DE

COMPRESORES PARA GNV.

DIRIGIDO A: Inspectores y técnicos de mantenimiento y operación deestaciones de Gas Natural Vehicular GNV.

Ing. Pedro M. Lugo. [email protected]. www.so/tecca.com 1

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FUNDAMENTOS TECNICOS DE DISEÑOY OPERACiÓN DE COMPRESORES

PARAGNV

Ing. Pedro M. Lugo, [email protected], www.soltecca.com 3

FUNDAMENTOS TECNICOS DE DISEIÍIOy OPERACiÓN DE COMPRESORES

PARAGNV

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1.- GAS NATURAL

1.1 ORIGEN

El gas natural es una mezcla de hidrocarburos paranínficos compuesta, en mayor proporción,por metano (CH.) y en proporciones menores y decrecientes por otros hidrocarburos. Esta mezclacontiene, generalmente, impurezas tales como vapor de agua, sulfuro de hidrógeno, dióxido decarbono y otros gases inertes.

Hasta el presente se presume que el petróleo y el gas natural se formaron como resultado devariaciones sufridas por la materia orgánica proveniente de animales y vegetales, debido a laacción bacteriológica y a las elevadas temperaturas y presiones producidas durante millones deaños, por efecto del asentamiento de las capas de sedimentos que la contienen.

El gas, como el petróleo, se encuentra en el subsuelo contenido en los espacios porosos deciertas rocas, en estructuras geológicas denominadas yacimientos, que pueden ser de tres tipos:

a) Yacimientos de gas asociado, donde el producto principal es el petróleo.

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, IMPUREZAS

b) Yacimientos de gas seco o libre, donde el producto principal es el gas mismo.

( c) Yacimientos de condensado, donde el gas se encuentra mezclado con hidrocarburoslíquidos. A este tipo de gas se le denomina gas húmedo.

Los yacimientos descritos en 105 últimos dos puntos también se conocen como yacimientos dei..,~ gas no asociado.

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S~b.T.I::C FUNDAMENTOS TECNICOS DE DISEÑOY OPERACiÓN DE COMPRESORES

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I,FRACCIONES LICUABLES DEL GAS NATURAL

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El gas natural, tal como se extrae de los yacimientos, contiene impurezas e hidrocarburoscondensables. Mediante su tratamiento y procesamiento se le eliminan las impurezas y se separael metano de los otros componentes: etano, propano, butanos y gasolina natural. Estoscomponentes en fonma líquida se conocen como líquidos del gas natural (LGN), y son utilizadoscomo combustibles y materia prima, esta última, principalmente por la industria petroquimica.

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METANO

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PETROQUIMICOS

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•\GAS NATURAL LICUADO (GNL)

El gas natural licuado está compuesto básicamente por metano, el cual es sometido aprocesos criogénicos a fin de bajar su temperatura hasta -161 grados centígrados para Iicuarlo yasí reducir su volumen en una relación 600/1, entre el volumen que ocupa en estado gaseoso y elocupado en forma líquida, para poder transportarlo en grandes cantidades hacia centros deconsumo utilizando buques metaneros diseñados para tal fin. El gas natural licuado se re gasificaen los puertos de recepción mediante la aplicación de calor en vaporizadores, para su posteriortransporte hacia los centros de consumo industrial, comercial y doméstico.

GAS NATURAL COMPRIMIDO (GNC)

Otra de las formas de comercialización del gas natural es por la vía de su almacenamiento,una vez comprimido, en tanques especiales bajo presiones de alrededor de 3.500 LPC. Estamodalidad permite transportar con mayor facilidad el gas y no requiere sistemas de vaporización.Su mercado varía desde el automotor, donde se denomina GNV, hasta clientes industriales conconsumos moderados que no tienen acceso a redes de gas natural.

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GAS LICUADO DE PETROLEO (GLP)


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El gas licuado de petróleo es una mezcla, en proporción variable, de dos componentes del gasnatural, propano y butano que, a temperatura ambiente y presión atmosférica se encuentran enestado gaseoso, pudiendo licuarse a esa presión si se enfrían a -43 grados centigrados. El GLP sealmacena y transporta en forma liquida. Posee mayor poder calórico que el GNl, siendo susvapores más pesados que el aire; por lo que tienden a acumularse en las zonas más bajas,contrario a lo que ocurre con el gas natural o metano que es más liviano que el aire

1.2 COMPOSICION

DEFINICIONES

• Condiciones estándar (SPT): son las condiciones de temperatura y presión usadas comobase de análisis y corresponden a 15°C (60°F) Y 101,3 Kpa (14.7 psi).

• Gas Natura! (GN) : es el fluido combustible (mezcla) en estado gaseoso compuestoprincipalmente por metano y pequeñas cantidades de otros hidrocarburos gaseosos comoN2, H20, H2S y CO2.

• Gas Natural para Vehículos (GNV): es el gas natural (GN) comprimido utilizado comocombustible automotor

• Ley de Avogadro: Avogadro afirma que volúmenes iguales de todos los gases, bajo lasmismas condiciones de presión y temperatura, contienen el mismo número de moléculas.

• El Número de Avogadro (NA): es la cantidad de entidades elementales (átomos,moléculas, iones, electrones, u otras particulas o grupos específicos de éstas) existentesen un mol de cualquier sustancia

1'''',4 = (6,02214179 ± :¡ : lO-i) . 102;\ mor 1

• La mol: Se basa en la ley de Avogadro, la cual señala que iguales volúmenes de gas acondiciones presión y temperatura dadas, contienen igual número de moléculas. Debido aque esto es asi, entonces el peso de estos volúmenes iguales serán proporcionales a suspesos moleculares.El volumen de 1 mol a una condición deseada se encuentra empleando la ley de los gasesideales:

o pV= 1545T

El valor de Ven la fórmula anterior (p se da en Ib/ff y T en °R), puede eonocerse si seescogen condiciones estándar de temperatura y presión. Este valor es 379.4 ft3. Porrazones de simplicidad, se usa 379 ft3/mol. Para repetir, este es el volumen de un peso(expresado en libras) de cualquier gas a 14.696 psia y 60°F; el peso tiene el mismo valorque el peso molecular.

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Por consiguiente, una mol de hidrógeno, ocupa un volumen de 379 ft3 bajo condicionesestándar y pesa 2.016 lb. Una mol de aire ocupa un volumen de 379 ft3 bajo las mismascondiciones pero pesa 28.97 lb.

\\ Una mol de isobutano también ocupa un volumen de 379 ft3, Y pesa 58.12 lb. Porsupuesto, esto si se asume que actúan como gases ideales, lo cual sucede en la mayoríade los casos bajo condiciones estándar (SPT), es decir, a 14.696 psia y 60°F. la mayoríade los cálculos molares involucran éstas y otras condiciones similares. ¿-

• Volumen específico y densidad: Dado que tanto el volumen como el peso de una mol decualquier gas pueden conocerse a partir de 'Ias relaciones definidas con anterioridad, enconsecuencia ya sea el volumen específico en ft3/1b o la densidad en Ib/ft3, se obtienenmediante una sencilla división.

Gas Volumen específico, lb/mol y Volumen específico, Densidad,ft3hnol peso molecular tH'Ib lh'ftS

Hidrógeno 379 2.016 188.3 .00531Aire 379 28.97 13.1 .0763Isobutano 379 58.12 6.51 .153

• Peso específico: Por lo general, el peso específico de los gases es una relación de lasIb/ft3 del gas en cuestión, respecto a las Ib/ft3 de aire, ambos bajo condiciones SPT. Si seconsidera una mol de cada gas, los volúmenes son los mismos y el peso de cada volumende gas es igual al peso molecular. De ahí que el peso específico se represente como larelación de estos pesos moleculares y se convierte, para el ejemplo anterior, en 14.84dividido entre 28.97,00.512.

• Condiciones críticas: Existe una temperatura sobre la cual un gas no se licuará conincrementos de presión, sin importar cuán grandes sean éstos. Este punto se llamatemperatura crítica. Se determina en forma experimental. la presión necesaria paracomprimir y condensar un gas a esta temperatura crítica se le conoce como presión critica.

• Punto de rocío: Es el valor de temperatura a la cual comienza la condensación del vaporde agua a una presión dada.

Según la norma COVENIN 3568-2:200, "NORMA VENEZOLANA GAS NATURALCARACTERISTICAS MINIMAS DE CALIDAD. PARTE 2 "GAS DE USO GENERAL PARASISTEMAS DE TRANSPORTE TRONCALES DE LIBRE ACCESO".

la composición de gas que se introduzca en el sistema de distribución, está limitada según lasiguiente tabla:


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Nombre Limite Valor

%molar

Metano (C1) .. Mln. 80,0

Etano (C2) Máx. 12,0

Propano (C3) Máx. 3,0

Butanos y más pesados (C4+ ). Máx. 1,5

De éstos, hidrocarburos insaturados total. Máx. 0,2

Dióxido de carbono (C02) Máx. 8,5

Nitrógeno (N2) Máx. 1,0

Hidrógeno (H2) Máx. 0,1

Oxigeno (02) Máx. 0,1

Mon6xido de Carbono Máx. 0,1

COMPONENTES EN TRAZAS

Nombre Limite UnIdad Valor

Sulfuro de hidrógeno (H2S) Máx mglm3 17,3

ppmmolar 12

Azufre total para gas no odorizado. Máx mglm3 38

ppm molar 28

Azufre total para gas odorizado. Máx mglm3 49ppmmolar 36

Agua Máx mg/m3112

[lbl10s [7)SCF]

1.3 PROPIEDADES

La composición del gas natural empleado como combustible para el uso en vehículos automotordeberá cumplir con los siguientes requerimientos:


Nota 1: Valores superiores podrán permitirse siempre y cuando no exista condensación de agua alas condiciones de operación.

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EtanoPropanoIsobutano~ormalbutano

Isopentano>iormalpentano:;itrógenoDióxido·De CarbonoSulfuro De HidrógenoAguaGravedad EspecíficaPoder Calorífico

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(Btu/pc)

FUNDAMENTOS TECNICOS DE DISEliloy OPERACiÓN DE COMPRESORES

PARAGNV

lO.5max3.5maxO.7maxO.S.maxO.3maxO.2max7.0max

8.5max (Nota 1)lOmax

(Nota 2)O.56min-O.69max995min·1140max

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Nota 2: El gas natural deberá tener su punto de rocío por debajo de la temperatura mínimaesperada en el tanque de almacenamiento a la máxima presión en el tanque.

Odorizacién:

a) El GNV debe contener odorantes que permitan detectar por el olfato la presencia de éste.

b) Se utilizará el etil-mercaptano en proporciones comprendidas entre 12 a 17 gr/m 3 de GasNatural.

c) Podrán utilizarse otros odorantes siempre que cumplan los requisitos de los párrafos a y b,excepto tiofeno o amilmercaptano.

Ensayos:

Los ensayos que se efectúen para verificar el cumplimiento de estas especificaciones se llevarána cabo de acuerdo a lo pautado por las Normas COVENIN en especial los Nos. 1094, 1820-81,1821,1822-81.


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~rr-<:: Propiedades de los vapores de hidrocarburo y de refrigerantes especiales 1-f'g

Valorell a 14.696 paia y-Calor m" Punto 60°F (consulte las notas)

molar aroCalor específico a presión Relación de calores específicos Condicioneda. de Peso Volu· capacidad críticaS ne ebulli· eaped. me. constante de 14.696 psia he/C. R 14.696 psia

de 150°F"' Nomen- Peso ción a fieo especí· BtullbrF (consulte 18a notas) lconsultc las notas)y 14.696 'rempe-O

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Melano CH. e, 16.04 -259 0.555 0.0424 23.61 0.506 0.527 0.558 0.624 1.33 1.31 L29 1.25 8.95 344 fin~ A¡;ctiJeno ClH~ 26.114 .. 119 O.899p 0.0686p 14.58p 0.353 0,397 0.427 0.169 1.•'11 1.26 1.24 1.21 11.12 557 905" ~tileno C?Il~ Eleno 28.tl5 -·155 0.969p 0.0739p 13.53p 0.312 0.362 0.406 0.478 1.29 1.24 1.21 1.17 11.39 610 742O_3 Etuno CAl, C2 ;)0.07 ··128 1.047 0.0799 12.62 0.366 0.410 0.468 O.!>43 1.22 1.19 1.17 1.14 13.77 5fiO 70R

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Propiedades de varios gases

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1.4 USOS

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El sector petrolero en Venezuela, bien sea por vía de la inyección, del consumo de combustible odel procesamiento, dispone de una gran cantidad del gas natural producido.

A continuación se describen brevemente los renglones a los que se destina el gas natural en elsector petrolero:

COMBUSTIBLE: Dentro de la industria petrolera, el gas es utilizado como combustible en lageneración de vapor y electricidad, y en otras operaciones de producción, refinación y transmisiónde gas.

INYECCiÓN: El gas natural se utiliza en programas de inyección con el propósito de recuperarcrudos. También se inyecta con el fin de conservarlo para usos futuros. El gas asociado con elpetróleo se separa en las estaciones de recolección y desde allí se transporta hasta las plantas decompresión donde se eleva su presión; luego se envía a los pozos de inyección ya los pozos que',producen petróleo por el método de levantamiento artificial (gas-Iift).

PROCESO DE DESULFURACION: Con el fin de mejorar la calidad de los derivados del petróleo, en lasrefinerías del pais se han construido instalaciones para remover los productos sulfurosos. Entérminos generales, el proceso de desulfuración consiste en la destilación del petróleo en unidadesde fraccionamiento atmosférico y al vacío. Los gasóleos así producidos se hacen reaccionar conuna corriente de hidrógeno (obtenido del gas natural) a altas presiones en presencia de uncatalizador, desprendiéndose gran cantídad de sulfuro de hidrógeno, producto que sirve comomateria prima para la obtención de azufre.

PRODUCCION DE LlQUIDOS DEL GASNATURAL: Al procesar el gas natural en plantas diseñadas paratal fin (Complf'ljo Criogénico de Oriente), se obtienen los productos líquidos del gas natural (LGN),formados por el etano, propano, butanos y otros componentes más pesados. La producción deLGN está dirigida a satisfacer las necesidades del mercado interno, como combustible y comomateria prima, exportándose el excedente a los mercados internacionales.

PROCESOS PETROQUIMICOS: La industria petroquímíca venezolana utiliza como combustible ymateria prima el gas natural y sus productos líquidos. El gas natural, en la obtención de amoníaco,ácido nítrico, úrea, sulfato de nitrato de amonio y fertilizantes; el etano y el propano, en laproducción de etíleno y propileno para la producción de plásticos y resinas; los butanos, en laproducción de metíl-terbutil-éter.

Otros usos:

PROCESOS DE REDUCCION DE MINERAL DE HIERRO: En la región de Guayana, parte del gas natural seutiliza para obtener el hidrógeno requerido para la reducción del mineral de hierro en las plantassiderúrgicas.

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1.5 TRANSPORTE


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Una vez separado del crudo, tratado y procesado, el gas se transporta hacia los centros deconsumo a través de la red nacional de gasoductos. Esta red está integrada por varios sistemasformados por tuberias de recolección, plantas compresoras y tuberías para transporte ydistribución cuyos diámetros varian entre 4 y 36 pulgadas.

La red está conformada por tres sistemas principales:

SISTEMA CENTRO: (43% del volumen total entregado al mercado intemo) .Este sistema, integrado pordiversas líneas de hasta 36 pulgadas de diámetro, transporta el gas procesado desde Anaco hastaBarquisimeto y cubre la demanda de las regiones central y centro occidental del pais, que presentala mayor concentración de clientes industriales, Dispone de dos principales plantas compresorasubicadas en Altagracia de Orituco y Morón. Suministra gas natural a las plantas termoeléctricas deTacoa y Planta Centro, a las industrias de las áreas centrales y centro occidental del país, asícomo a la red doméstica de Caracas y sus alrededores.

SISTEMA ORIENTE: Comprende los gasoductos: Anaco-Puerto Ordaz que suministra gas natural alas industrias básicas de Guayana, y Anaco-Puerto La Cruz, suministra gas para uso industrial ydoméstico en la región del norte del estado Anzoátegui.

SISTEMA OCCIDENTE: Este sistema comprende un conjunto de gasoductos de 5 a 20 pulgadas dediámetro, que transportan gas desde la zona productora del Lago de Maracaibo hacia los centrosde consumo en Zulia y Falcón. Además de los requerimientos del sector petrolero, como el delcomplejo petroquímico de El Tablazo, también satisface clientes industriales en la zona, enespecial de las plantas termoeléctricas Rafael Urdaneta. Ramón Laguna y de Punto Fijo, asi comolas redes domésticas de la ciudad de Maracaibo y poblaciones de la Costa Oriental del Lago.

2. ESTACIONES DE SERVICIOLas estaciones de suministro de gas natural para la recarga de los vehiculos automotores, laspodemos clasificar según el tipo de usuario a ser servido.

2.1 TIPOS DE EXPENDIO

Los expendios se clasificarán de acuerdo al uso:


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EXPENDIOS PARA CONSUMO PROPIO: son aquellos que surtirán combustible a vehiculos autorizadospor la entidad propietaria o administradora del expendio. Estos expendios estarán ubicados enáreas de acceso restringido.

EXPENDIOS PARA USO PÚBLICO: son aquellos en los cuales s e permitirá e 1acceso de cualquier tipode 'vehiculos para ser abastecidos de GNV. Es te tipo de expendio deberá ser operado porpersonal dependiente del concesionario del mismo.

De acuerdo a I tipo de llenado.

LLENADO RÁPIDO: son aquellos en los cuales el llenado se efectúa en tiempos inferiores a 8

minutos.

LLENADO LENTO: Son los expendios en los que se requieren de 5 a 6 horas promedios paraefectuar llenado de los cilindros del vehiculo. Por lo general, los Expendios para Consumo propioson de llenado lento. Porque son diseñados básicamente para flotillas de vehículos, líneas de taxiso autobuses que cargan durante la noche, quedando listos para operar al iniciar las labores deldia Y es el propietario o propietarios de estas flotillas quienes invierten en la construcción para suservicio particular.

MIXTOS: son expendios donde se utilizan las dos modalidades de llenado descritas anteriormente.

2.2 COMPONENTES DE UNA ESTACION GNV

Un esquema de un expendio de combustible de gas lo podemos observar en la siguiente figura.

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Los elementos principales que constituyen una estación de servicio de este tipo son los siguientes:

Línea de Succión de GasE.M.RSecadorTanque PulmónFiltroCompresorTanques de almacenamientoLínea de descarga del gas

Surtidor

No todas las estaciones son iguales, existen diferencias basadas en el sistema de suministro a lossurtidores utilizado, en Venezuela, se utilizan dos tipos diferencia básica es la cantidad de líneasde descarga del gas del compresor hasta el surtidor

ESTACiÓN DE MEDICiÓN Y REGULACiÓN (E.M.R): Para poder suministrar gas a un sitio debe hacerseuna derivación de la línea principal de gas (gasoducto) que esté más cerca. Al final de estaderivación se coloca la EMR con la finalidad de poder medir el flujo de gas que llega a la estaciónde servicio y regular la presión del gas de la línea de suministro al compresor para mantenerlodentro de un rango determinado.

Existen dos tipos básicos de E.M.R. que se utilizan para estaciones de servicios GNV, las cualespueden tener modificaciones según las características de la estación, en la que van a serinstaladas. Por ejemplo, si la presión del gasoducto no tiene olor hay que colocar en la E.M.R. unabotella de odorizante, con el fin de hacer detectable el gas que pueda escaparse de existir unafalla. Podríamos decir que la E.M.R. está compuesta por dos líneas, una donde se hace lamedición y regulación del gas, y la otra que funciona como by-pass cuando se dañan o se hacemantenimiento a los equipos de la línea principal. La línea principal consta de dos válvulas de bolacolocada a los extremos de la línea para cerrarla en un momento determinado, luego encontramosun regulador de presión, un filtro tipo (Y) y por ultimo un medidor tipo turbina (turbo meter). En lalínea de by-pass encontramos un manómetro, una válvula tapón y luego otro manómetro.

SECADOR: Es un equipo diseñando para bajar la humedad del gas que entra al compresor a menosdel 2%. Altos porcentajes de agua en el gas a utilizar, podrian causar serios daños compresor, sise llegara a depositar en los pistones, los cuales están diseñados para trabajar con un fluidocompresible; o podrian causar la obstrucción por congelamiento de accesorios en las tuberias dedescarga del compresor o del pico de llenado del surtidor, debido a la brusca caída de la presión ya la expansión del gas. Este secador seria de conexión bridada a la entrada y a la salída yelemento secador de silicagel.

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S~b.T,E:C: FUNDAMENTOS TECNICOS DE DISEÑOY OPERACiÓN DE COMPRESORES

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TANQUE PULMÓN: El tanque pulmón se utiliza como una cámara de expansión en la línea desucción, Al detenerse el compresor, el gas que se encuentra en los diferentes cilindros (etapas decompresión) y a diferentes niveles de presión, se regresa a la línea de succión, expandiéndose enel pulmón y nivelando las presiones internas del sistema.

COMPRESOR: La función del compresor es elevar la presión del gas de la línea de suministro dondeesta a presiones de entre 60 y 150 Psi. Para ser comprimido almacenado a alta presión y luego servaciado en los tanques de los vehículos a 3000 Psi. En el mercado mundial existen varios tipos decompresores que están fabricados para utilizar gas natural, tanto por los materiales utilizados ensu fabricación como las medidas de protección y seguridad agregadas para su uso,

TANQUES DE ALMACENAMIENTO: Son cilindros de acero, sin costura, con una boca de admisión yuna de descarga, configurados en grupos ó arreglos de múltiples cilindros interconectados a dosmúltiples de distribución uno de admisión y uno al de descarga, con diversas capacidades dealmacenamiento según la configuración propia de cada fabricante.

Se utilizan en las estaciones de llenado rápido, para evitar las constantes arrancadas y paradasdel compresor, cada vez que un vehículo venga a surtirse de gas y para disminuir el tiempo dellenado. En los arreglos de almacenaje a un solo nivel de presión, todos los tanques se llenan a unmismo nivel de presión (3.600 Psí). Cada tanque está provisto de una válvula de cierre manual yuna válvula de drenaje. El sistema de almacenamiento en cascada para diversos niveles de carga,es un sistema de arreglo donde la cantidad total de cilindros están divididos en tres grupos, las tresbancadas se llenan a 3600 lbs, , la de baja llena el vehículo hasta que la presión es de 900 psi,luego entra la media y llena hasta 1500 psi. y luego entra la de alta y llena el vehículo hasta queeste alcanza la presión de 3000 psi. Cuando comienza el proceso de llenado se acciona unaelectroválvula que abre los tanques de baja, cuando se igualan las presiones del tanque delvehículo con la de la bancada actúa un pressure swicht que cierra la electroválvula de baja y abrela de media, repitiendo así el proceso con la bancada de alta, La ventaja de este sistema es unmayor aprovechamiento de la capacidad de almacenamiento de los tanques. Aunque en ambosequipos se utiliza alrededor de un 40 a 50% del gas almacenado, porque cuando los valorescríticos se ajustan en los pressure swicht el compresor vuelve a encender,

"LINEA DE DESCARGA DE GAS: Es la línea que va desde el compresor hasta el surtidor, por ser unalínea de alta presión, es de acero al carbono, sin costura de Schedule 160, 1". Las uniones son deacero al carbono, Schedule 160 ASTM-A-105 S,w, Por tanto es muy importante que estasoldadura sea hecha por un personal calificado. En el caso de equipos con arreglo de cilindros dealmacenamiento a una presión, sale una sola línea de descargar hacia los surtidores. En el casode equipos con arreglo de cilindros de almacenamiento para diversos niveles de carga tenemos 3líneas de descarga, 3 conexiones al surtidor, una por cada nivel de presión de carga. Luego que laconexión este hecho se le hace una prueba hidrostática para verificar exista fuga por ningunaconexión.' Dado que este es una tubería enterrada, hay que protegerla contra la corrosión, portanto se emplean métodos como el revestimiento plástico, arreglo en lecho de arena, y proteccióncatódica. Para hacer el conexionado al surtídor en la isla, se suele emplear tubing de aceroinoxidable de 1/2" OD, ,ASTM 304/316 y de 0,065" de espesor,"

/ng. Pedro M. Lugo, pedlugo@soltecca,com, www.soltecca.com 17

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En la isla donde se encuentra el surtidor hay una tanquilla hasta donde llega la tubería de 1", luegoutilizando se instala una válvula de bola de acero inoxidable y una válvula de exceso flujo. Laprimera para ser utilizados en caso de mantenimiento. La segunda se acciona de forma mecánicaen el caso de existir una de fuga en el surtidor. Todos los conectores utilizados están diseñadosparatrabajar a 5000 Psi.

LINEA DE AIRE: En los equipos de compresión y los surtidores, los equipos mecanismos de controlson principalmente válvulas o actuadores neumáticos. Por lo que hay que suministrar una línea deaire comprimido. Para lo cual se emplea una tubería de acero al carbono galvanizado, de 01/2",Schedule 40, que va tanto al compresor como al surtidor desde un compresor de aire, ubicado enla sala de máquinas del edificio de la estación.

LINEAS DE VENTEO Y DRENAJE: Son dos líneas que salen del compresor y recogen todos loscondensados que se producen dentro del compresor y la otra es una línea que recoge todo el gaspuede escapar de ciertos puntos del compresor como el cárter, sello de barra pistón, etc.

2.3 TUBERIAS MANGUERAS y ACCESORIOS

TUBERiAS:

Las tuberías deberán ser de acero, en aquellos casos donde resulte imprescindible el uso detuberías y accesorios de cobre, éste no debe exceder el 70% de la composición del material. Losmateriales siguientes no deben ser utilizados:

(a) Accesoríos y otros componentes de tubería fabricados en hierro fundido o.

(b) Tuberías y accesorios galvanizados.

(c) Tuberías y accesorios de plástíco para servicío de alta presión.

(d) Tuberías y accesorios de aluminio.

PRESiÓN DE TRABAJO:a) Las tuberías que se usarán a presiones menores que la presión de descarga de compresor,

corno es el caso en el lado de la succión del mismo, deberán ser adecuadas para una presión detrabajo que se ajuste a la presión de suministro existente de gas, pero la presión nominal de latubería y accesorios nunca deberá ser menor de 1030 kPa. (150 psi).

b) Las tuberías de descarga del compresor y aquellas diferentes a las mencionadas en el puntoanterior deberán ser adecuadas para una presión de trabajo de, por lo menos, 25 MPa (3.600 PSI).

ESPESORES: El espesor mínimo permitido para las tuberías de acero de baja presión es el quecorresponde para el diámetro considerado a un "Schedule " 40. Para las tuberías de acerosometidas a alta presión el espesor será que corresponda para el diámetro para "Schedule" 160.



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UNIONES

a) Las tuberías de diámetros nominales inferiores o iguales a 19 mm (3/4" pulgadas) seránroscadas siempre que el espesor corresponda a tubería "Schedule" 80 para baja presión, y atuberías "Schedule" 160 para alta presión.

b) Las juntas (o uniones) de las tuberías de acero de diámetro nominal mayor e igual de 25 mm (1pulgada) deberán ser soldadas o bridadas. El material de aporte de la soldadura deberá tener unpunto de fusión superior a 600 oc. Las juntas o uniones soldadas deberán ser sometidas aexamen radiográfico.

c) Las uniones de los tubos de cobre podrán ser por abocinado en los extremos utilizando losaccesorios correspondientes.

d) Las tuberías unidas mediante bridas deberán estar provistas de un puente de unión entre ellaspara garantizar la continuidad eléctrica del sistema. El conductor utilizado para realizar este puentedebe ser de calibre N°6 como mínimo.

INSTALACiÓN DE TUBERiAS AÉREAS

a) Las tuberías aéreas deberán estar soportadas de forma tal de no afectar la integridad delsistema, sujetas firmemente a elementos rígidos y presentando lazos para añadirle flexibilidad alsistema y, además, deberán estar ubicadas en lugares adecuados para minimizar los riesgos dedaños físicos.

b) Se deberá tener en cuenta en el diseño del sistema la expansión, construcción, vibración yasentamiento de los sistemas de tuberías.

INSTALACiÓN DE TUBERIAS ENTERRADAS

a) Las tuberías enterradas deberán protegerse contra la corrosión mediante pintura o basebituminosa, o brea epoxi con cinta de material protector. En los casos que las caracteristicas delterreno lo exijan, se utilizará protección catódica.

b) Las tuberías enterradas que pasen bajo calles, carreteras o vías de circulación intema deberánser adecuadamente protegidas contra las cargas ocasionadas por el transito y deberán estarenterradas a profundidades superiores a 90 cm medidas desde el tope de la tubería.

c) Solo se permiten tuberías soldadas.

MANGUERAS

a) Las mangueras, conexiones de mangueras y conectores flexibles deberán ser fabricados conmateriales resistentes a la acción del gas natural. Si se utiliza malla metálica corno refuerzo internoésta deberá ser de material resistente a la corrosión tal como el acero inoxidable y la superficieexterior de la manguera deberá ser permeable al gas.

b) Las mangueras deberán ser electrostáticamente conductoras.



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e) Las mangueras podrán marcarse con las palabras GNV, y con la presión de trabajo en MPa a

intervalos no mayores de 3 m.

PRESiÓN DE DISEÑO: Las mangueras, conexiones de mangueras y conectores flexibles usados paraGNV deberán ser diseñados para un a presión mínima de rotura de 4 veces la presión de trabajo lacual será de 24,80 MPa (3.600 PSI).

VÁLVULAS DEL SISTEMA DE LLENAD: En la línea de succión del compresor se deberán instalar dosválvulas:

a) Una válvula de cierre operada manualmente para controlar el suministro de gas a la estación.Esta válvula deberá estar ubicada afuera del recinto que abriga al compresor.

b) Una válvula de cierre rápido automático y operada eléctricamente la cual cerrará al activarse elsistema de emergencia, cuando ocurra una falla en el sistema de suministro de electricidad ocuando la demanda de gas natural esté satisfecha.

c) Se deberá colocar una válvula de retención en la línea de descarga del compresor.

d) Se deberá instalar una válvula de cierre manual en la línea de descarga del compresor y fueradel recinto que abriga al mismo.

Se deberá instalar una electroválvula de cierre rápido en cada línea de suministro que permitaaislar las zonas de almacenamiento del resto del sistema. Esta válvula deberá estar ubicada demanera accesible y fuera de la cerca de protección de los cilindros. La válvula podrá permanecerbloqueada en posición cerrada pero no deberá bloquearse en posición abierta.

En el sitio de instalación de la válvula deberá colocarse un letrero que diga "válvula de cierre deemergencía". El letrero deberá tener fondo amarillo y letras negras, con las siguientes dimensionesmínimas: altura igual a 7 cm, longitud igual a 15 cm.

Dentro de la zona de suministro del surtidor se deberá instalar una válvula de cierre deemergencia, ubicada de manera accesible, esta válvula deberá ser accionada manualmente ypodrá también, serlo en forma remota.

El surtidor deberá estar provisto de una válvula de cierre manual de bloqueo.

Las válvulas y las empaquetaduras deberán ser compatíbles con el gas utilizado, dentro del rangode presión y temperaturas a las cuales serán sometidas.

La presión nominal de trabajo de las válvulas de cierre deberá ser igual a la presión de trabajo delsistema y deberá soportar la prueba hidrostática con una presión igual a cuatro veces la presiónnominal sin presenta ruptura o deformaciones permanentes.

Las válvulas no deberán presentar fuga al ser sometidas a una prueba neumática con aire seco auna presión igual a 1,5 veces la presión de trabajo.

No se deberán usar válvulas de cierre que no sean de acero.


FUNDAMENTOS TECNICOS DE DISENOY OPERACiÓN DE COMPRESORES

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No se permitirá el uso de válvulas a las que se les pueda dar mantenimiento sin desmontarlas dela línea y sin desarmar el cuerpo de la válvula.

2.4 SURTIDORES

Los surtidores de GNV son similares a las de gasolina, se diferencian básicamente en el elementomedidor de que funciona bajo el principio de la medición de la aceleración de Coriolis, de un flujoque circula en un tubo en U. Dependiendo del sistema de alimentación, existirán surtidoresalimentados por 1 y 3 líneas. Se compone principalmente de:

• Filtro de succión.

• Válvula de alivio.

• Acople rompible (break away)

• Manguera de llenado

• Pico de llenado

• Medidor

Notas e imágenes de los accesorios:

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Válvula de exceso de flujo

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3. SEGURIDAD

UBICACION y DISTANCIAS DE SEGURIDAD

Para la ubicación de expendios de GNV en las autopistas y vías expresas y para el diseño derampas para esos establecimientos se aplicará lo establecido sobre la materia por el Ministerio deEnergía y Minas y por el Ministerio de Transporte y Comunicaciones.

Ningún componente del sistema para el expendio de GNV, podrá ser ínstalados en las siguientescondiciones:

a) Formando parte de edificaciones residenciales o comerciales.

b) En recintos cerrados.

c) En áreas limitadas por muros de contención requeridos para los líquidos inflamables.

d) Debajo de líneas eléctricas de potencia.

En los expendios de GNV no se permitirá la existencia de fuegos abiertos, ni la ejecución detrabajos de electricidad, mecánica, latonería, pintura, soldadura u otros cuya ejecución implique


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PARAGNV

riesgos de incendio o explosión, salvo que dichos trabajos pertenezcan un plan de modificación omantenimiento del establecimiento o sus componentes.

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Los componentes de un sistema de expendio de GNV deberán instalarse al aire libre, y protegidosde la intemperie por una estructura que permita la ventilación natural.

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PARAGNV

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ZONA DE SEGURIDAD DEL SURTIDOR: El surtidor de GNV tendrá una o dos zonas de suministro, conun lado común y una zona de seguridad. Cada zona de suministro se conformará por un cuadradode 3 m x 3m, donde el centro del surtidor coincidirá con el punto medio de uno de los lados dedicho cuadrado. En el caso de dos zonas de suministro adyacentes, el centro del surtidor coincidirácon el punto medio del lado común.

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Ing. Pedro M. Luyo. [email protected]. www.soltecca.com 25

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FUNDAMENTOS TECNICOS DE DISEI'lOy OPERACiÓN DE COMPRESORES

PARAGNV

DISTANCIAS DE SEGURIDAD INTERNAS(en me~r03)

(.) ~stas distanCIas serán medidas a partir del recinto que resguarda el compresor.

a) Edificaciones del estableci:niento tales corooficinas • servicios delavado, sanitarios,ete. 3 3 3

o) Cafetería o restauranty vi vienca del encar!!!do. 3 3 3

e) Recipiente expuesto dehidrocarburos líquidosy/O camión cisterna 5 6 5

d) SUrtidor de hidrocarburolí quido 5 5 1•

e) Compresor 4· 3·f) Recipiente enterrado de ,-

hidrocarburo lIquido. 2 2 2

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Desde !!ASTA CILINDROS 9JRT100RES DECOMPRESOR ALMACE~~~IENTO GNV

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•e3.1 AREAS CLASIFICADAS

La reacción de la combustión tendrá lugar si hay la presencia simultánea y en las proporéionesadecuadas de los tres componentes del Triángulo de la combustión.Una mezcla explosiva es la mezcla de un comburente (producto oxidante) y de un combustible(producto oxidable) en proporciones tales que puedan dar lugar a una reacción de oxidación muyrápida y muy viva, liberando más energía de la que se disipa por conducción y convección.

El comburente puede ser un gas (el oxigeno del aire), un liquido (peróxido) o un sólido (clorato,nitrato...). El combustible puede ser un gas (hidrógeno, vapores de gasolina...), un liquido (disolvente) oun sólido (azufre, madera...), Todas las materias orgánicas son combustibles,

Ing. Pedro M. Lugo, pedlugo@soltecca,com. www.soltecca.com 26

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PARAGNV

Son aquellas en las que existe presencia en el ambiente de materiales combustibles (gases,particulas, fibras, etc.) que si son sometidos a temperaturas determinadas, pudiera ocurrir unaexplosión y/o incendio. Estos peligros pueden estar presentes durante condiciones normales deoperación o en caso de falla de algunos de los sistemas de manejo de combustible.

División 2

-'-'F--CEN ( Seccl6n 500 )

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División 1

i Clase IZona O

Zona 1

Zona 2

gasesvapores

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División 1Zona 10 Clase 11polvosZona 11 División 2

fibrasZona 10 División 1

yZona 11 Clase 111

cenizasDivisión 2

._..__ .._-_ .._--------_.-_ ....

,. _._--lEC (79 - 10) NEC (500 - 4)

- .. _..__._-_.

O Zona en la cual una mezcla explosiva de,... Un lugar Clase 1. División 1 es una zona:

c: {1} en donde existen. bajo condiciones normalest13 gases, de vapores o de polvos, está presente de operación, concentraciones o vaporesc: permanente (la fase gaseosa en el interior de -O inflamablesO l/) (2) en donde existen frecuentamente, debido aN un recipiente o de un depósito cerrado)

I .2: labores de reparaciones. mantenimiento oI ca fugas. concentraciones de gases o vapores

inflamables oT""

Zona en la cual una mezcla explosiva de - (3) en donde debido a roturas o malt13 gases, de vapores o de polvos, es Q) funcionamiento de equipos o procesos puedane l/) IIbererse concentreciones inflamables de gasesO SuscEtptible de fnrmArAA An sRrvicio normal da !!!N la instalación

o vapores, y pueda ocurrir simultáneamente unaÜ avería en el equipo eléctrico.

IUn Iu~ Cla.. 1, División 2 " un. zona;i(1) "" donde l. mM';'. proc:elUl o •• usan Jíouidol volátil..

C\I inflamabl.. o g•••• ¡ntta",.bl... pgro donde normlllmtKlt. los

c: ,¡quidos, Yflpot'". o ga... "larán conf.nados dltntro d.

-O recipi....tM c;:.'adoa o ald.m•• cenadol d. donde ~Ios pod,oi"

Zona en la cual una mezcla explosiva de _capar .oIament. en el ~.o d. una optlfaeión anormal delC\I l/) eqUIPO

tUgases, de vapores o de polvos, puede :> (2) en lugar" donde conc....tracion.. inllamablu d. ga... o

~ e aparecer con menor frecuencia o en casos de OWlpor.. son normahn."t. pr....enld•• por m-elio d. una POlltrv.

O funcionamiento anormal de la ins1alaci6n ...-Ililación meclJnica. y .. cu«1 podria con""br•• ., p••gtOI. por

N (fugas o negligencias de utilizaci6n) - 111 taHa o por Ja opetaclón anonnal d~ equipo d. ,*,tilllclón o, (3) ~U. el IU9'lr •• ~cu."tr. adyacente. un lUgar d. elu. l., Q) Divillón 1. htllei. donde pueda'" IIf1041' oCll::lijonlllmln1.i l/) conc."tr-eion.. inl¡amllbl_ de g.... o vapor.s. a m.nos aUIl la

I ro vial d. eomunlCOC10n Sita _lada poi' m.dio ::fe U" lld~ljlldo

IÜ ,ialama d. vltntilacion de pre!l'6n positiva de una IU&nte de 41r.

limpio y u hayan prlVl..to dispolilivo.. aaecuados p.'a lI'Illaf La.

ItafIa.. d~ .ilt9ma o• ....,nfilacic".

/ny. Pedro M. Luyo. [email protected], www.soltecca.com 27

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Mínima energía de ignición

MEIC Most easily ignited ConcentrationConcentración mas fácilmente inflamable

LEL Lower Explosive LimitLímite inferior de Explosibilidad

UEL Upper Explosive LimitLímite superior de Explosibilidad


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FUNDAMENTOS TECNICOS DE DISEIÍlOy OPERACiÓN DE COMPRESORES

PARAGNV

Grupo de explosión Gas TIImperatura Clasiflcacion

EN IIEC NeC de ínflamación EN IIEC NEC

IIA O acetone 5401463 TI TI

IIA D ethane 515 T1 Tl

IIA O ethanol 425/356 T1 TI

IIA O ethyl acatate 460/427 T1 T1

IIA D ammonia 630/651 Tl 11

IIA D benzene 555/560 T1 TI

IIA D butane 365/405 T2 T2

IIA O 1-butanol, 2-butanol 340/365.405 T2 12

IIA O methyl ethyl ketone 505/516 Tl Tl

-11 A O n-butyf acstate 370/425 T2 T2

IIA O ethylene dichloride 530/413 Tl 11

IIA O heptanes 215/280 T3 ¡:lB

IIA D hanoes 240/225 T3 T2D

IIA O methane (natural gasl 595/539 Tl TI

lIA o methanol (methyl alcohol) 455/38& TI TI

IIA o oetanes 210/220 T3 T2D

lIA o pentanes 285/260 T3 T2A

llA o 1-pentanol 360/300 T2 nAIlA o petroleum napht. • /288 - T2A

IIA l) gasollne 220-300/280-456 T3 T2-Tl

IIA o ptopane 470/450 T1 Tl

IIA o 1-propanol, 2-propanol 4061440,399 Tl T2-nl/A o propylene 455/460 T1 TI

nA o pytldlne 650/482 T1 TI

lIA o 51ytane 490 T1 T1

!lA o tolueno 635/480 TI TI

IIA o vinyl aeetate 385/427 T2 T2

IlA o vlnyl chloride 415/472 T2 Tl

lIA D xylenes -/530 - TI

IIA e acetaloenyoe 140/175 T4 T3a

l/A e catbon monoxide 605/610 TI TI

liS e ethylene 425/490 TI TI

118 e hydrogen cyanlde 635/- Tl Tl

IIB e cyclopropane 495/500 TI TI

IIB e diethyl ether 180/160 T4 T4

118 B acrolein -/220 - T3

118 B butadiene 440/420 T2 T2

118 B hydrogen 560/400 TI T2

lIe A acetylene 305 12 T2

Ing. Pedro M. Lugo, pedlugo@soltecca_com, www.soltecca.com 29


PARAGNV

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Grupo I IIA IIB lIeGas Metano Propano Etileno HidrógenoEnergía 0.28 mWs 0.26 mWs 0.06 mWs 0.019 mWs

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Vol % 4.4·15.0 2.1 ·9.5 3.5·15.0 4.0·75.6

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SELECCiÓN DEL EQUIPO ADECUADO: La selección del equipo adecuado en las cantidades y en laposición requerida, es fundamental para garantizar la adecuada protección de los sistemaseléctricos. El equipo debe ser apropiado para la clase y grupo donde vayan a utilizarse. Esto setraduce en seguridad y optimación de costos.

El Código Eléctrico Nacional, establece en su sección 500, los aspectos que debencumplirse en la instalación de equipos eléctricos en áreas clasificadas. Allí se indica el tipo decanalización, cableado, uso de sellos cortafuego, equipos y otros aspectos relevantes al diseño.

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( I Modo de protec;-ió-n-~J-'ím-b-o-Io-'-C-o-n-c-e-Pt-o--'----A-p-I-i-~-~ciones

Transformadores.

Equipos de potencia,motores, itransfonnadares, conmutadares y iatros companentes que praduzcan I

__.:hlspas O que formen arco eléctrico. iCajas de bornas, Cajas de conexióny distribución, Estaciones de mandoy señalización (Resina de poliéster

.•.rl!.f"rzada con fibra de vidrio).

Igual a los anteriares_Especial para grandes espacioscerrados y grandes equipos.

J ..k L, hf' rd

e l ~ rI p ~#"'1Presurízación

¡Seguridad aumentada11------------- ...- _..-_.-..

i I¡Inmersión en aceite ¡ o l':::·' .,::-··r

I ..4...¡ ._-_ ..._._._-- ......._.-+-+=~=+---_........... ..,..._.. _.......',' Relleno de polvo q ~ Transformadores, Condensadores,

~ componentes eleclrónicos.

r¡-----------,--.

I Antideflagrante,

Relleno de resina mSensares, fusibles pequeños,unidades de señalización, aparatosde mandos, conmutadores de bajapotencia.

i --=--r--, I Aparatos de medida y regulación,

I S 'd di' ~ 1 I ~ '1 sistemas de control automático, l'i egur! a ntnnseca i e i- 1'·4- sistemas de camunicación, lazo de I

l . . --'- . __L._-_-_-_-_-_-_--'--..J regulación, acto~~s y s.~~~s_.__1



PARAGNV

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SEGURIDAD INTRíNSECA: Es un método de protección basado en el principio de limitar la energia en uncircuito eléctrico de forma tal, que cualquier chispa o efecto térmico producido resulte incapaz decausar la ignición de una mezcla inflamable presente en localizaciones peligrosas. Por tanto laseguridad intrlnseca es un método de prevención.

Aterramlento

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Fusible: El fusible interno de una barrera de seguridad intrínseca se especifica según los diodosZener que contiene.

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•La corriente nominal del fusible es aproximadamente un 25 % de la corriente máxima que soportanlos diodos Zener.

La resistencia Iimitadora reduce la tensión disponible para los dispositivos en la zona clasificada

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'\rea No Peligrosa,Á¡'ea Peligrosa

Sello de línea:

Ing. Pedro M, Lugo, [email protected], www.soltecca.com 31

Slb.TEC FUNDAMENTOS TECNICOS DE DISEÑOY OPERACiÓN DE COMPRESORES

PARAGNV

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1.- cifra: 2.- cifra:Protección contra los cuerpos sólidos Protección contra los IIquidos

O sin protección O sin protecciónProtegido contra cuerpos sólidos

1 Protegido contra las caidas verticales1 superiores a 50 mm (ej. contactosinvoluntarios de la mano)

de gotas de agua (condencación)

I Protegido contra cuerpos sólidosProtegido contra las caldas de agua

! 2 superiores a 12 mm (ej. dedos de la 2 hasta 15' de la vertical¡ manol

IProtegido con1ra cuerpos sólidos

3 Protegido contra el agua de lluvia3 superiores a 2.5 mm (ej.

herramientas, cables)'hasta 60' de la vertical

4Protegido contra cuerpos sólidos

4 Protegido contra las proyecciones desuperiores a 1 mm (ej. herramientasfinas pequeños cables) agua en todas direcciones

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5 Protegido contra el polvo (sin 5 Protegido contra el lanzamiento desedimentos perjudiciales) agua en todas direcciones

6 Totalmente protegido contra el polvo 6 Protegido contra el lanzamiento de, agua similar a los golpes del mar

l 7 Protegido contro la inmersión

8Protegido contra 10$ efectos prolongados deinmersión bajo presión

3.2 DETECClüN

Todo expendio de GNV y/o estación de servicio con expendio de GNV deberá contar con unsistema de detección y protección contra incendio de acuerdo a las normas COVENIN sobre lamateria.

En los párrafos siguientes, se enumerarán las características minimas indispensables quedeberán tener dichos sistemas.

El sistema de detección y protección contra incendio instalado deberá estar en operaciónpermanentemente y deberá ser mantenido y controlado periódicamente.

SISTEMA DE DETECCION: Se debe instalar un sistema de detección con detectores de gas ubicadosen los siguientes sitios:

1) Zona de seguridad del compresor

2) Cilindros de almacenamiento.


I FUNDAMENTOS TECNICOS DE DISEÑOY OPERACiÓN DE COMPRESORES.

PARAGNV

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Los detectores se deben instalar cumpliendo la norma COVENIN 1176 última edición. Enlos cilindros se instalarán en la parte superior de los mismos. Los detectores enviarán una señalpara activar la alarma y el operador procederá a accionar la estación manual de emergencia.

3.3 ALARMAS

Se debe instalar un sistema de alarma automática y manual sin señal previa. La señal de alarmaserá enviada automáticamente por el sistema de detección y manualmente a través de lasestaciones manuales de emergencia.

3.4 ESTACIONES DE EMERGENCIA

Se deben instalar estaciones de emergencia para ser activadas por cualquier persona autorizadaen casos que requieran acción inmediata.

UBICACiÓN: Las estaciones manuales de emergencia se deben instalar en los siguientes puntos:

a) Isla de surtidores.

b) Zona de seguridad del compresor y cilindros de almacenamiento.

e) Acceso a oficinas, despacho y demás dependencias del expendio de la Estación deServicio, o en un lugar accesible a por lo menos quince (15) metros aguas arriba de lossurtidores.

FUNCIONAMIENTO: Las estaciones manuales de emergencia deberán:

a) Interrumpir el suministro de energía eléctrica al surtidor.

b) Interrumpir el suministro de energía eléctrica al compresor.

c) Activar el sistema de alarma.

d) Cerrar las válvulas de los puntos de acceso y salida de gas del compresor

TABLERO CENTRAL DE CONTROL

a) Deberá cumplir con los requisitos de la norma COVENIN 1041, última edición.

b) Estará ubicado en la oficina en un sitio fácilmente accesible.



PARAGNV

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SISTEMA DE EXTINCION

a) Se instalarán extintores portátiles de acuerdo a la norma COVENIN 1040, última edición.

b) Los extintores se ubicarán en los siguientes puntos:

• Acceso a la zona de seguridad del compresor y los cilindros de almacenamiento.

• Isla de surtidores.

• Oficinas, despacho y de más dependencias del expendio o de la estación de servicio.


Slb.T.e:c: FUNDAMENTOS TECNICOS DE DISEÑOY OPERACiÓN DE COMPRESORES

PARAGNV

4. FUNDAMENTOS DE COMPRESION DE GAS

DEFINICIONES:

.- PSIA: Libras por pulgada cuadradas absolutas.

.- PSIG: Libras por pulgada cuadradas relativas, Ambos términos se definen tal como se indica acontinuación: La presión es una medida de energia contenida en un recipiente. Ejemplo de ello enla figura siguiente. Considere abiertas las válvulas numeradas (1) y (2), cerradas las numeradas(3) y (4) , la bomba de presión (5) operando y la válvula reguladora (6) ajustada para controlar a 50psi, el medidor (7) leyendo 50 psi, y la bomba de vacío (8) parada . En esta situación, lasmoléculas de aire en el recipiente están comprimidas, existen en gran número, muy activas y estánrebotando por todo el rededor y golpeando las paredes con suficiente energia como para causarque el manómetro lea 50 psig. A continuación considere cerradas las válvulas (1), (2) Y(4) ; abiertala válvula de venteo (3) , Y ambas bombas paradas . Ei nivel de presión en el recipiente·sebalanceará hasta la presión atmosférica la cual es 14, 7, pero el medidor (7) indicará cero. Todasla moléculas remanentes en el recipiente están a presión atmosférica, y por lo tanto están activaspero a un nivel menor, proporcional a la reducción en la presión. En estas condiciones existeenergia almacenada en el recipiente. A continuación considere cerradas las válvulas (1) (2) Y (3);abierta la válvula (4) y la bomba de vacio operando. Si la bomba de vacio opera tiempo suficiente,todo el aire será retirado del recipiente y consecuentemente la energía será cero ya que la presiónabsolutamente es cero. Sin embargo, a esta presión absoluta de cero el medidor indicará menos.14,7. Todas las leyes y fórmulas de la termodinámica y físíca están basadas en la energía cero íacual es absoluta en la menor presión posible. Un medidor o manómetro está siempre balanceadocontra la presión atmosférica y consecuentemente la lectura será siempre menor que la mediciónbasada en lo absoluto.

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VENTEO



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Refiriéndonos a la figura anterior. Cuando un medidor lee cero, la presión atmosférica es de 14 ,7libras por pulgada cuadrada. Técnicamente hablando, la presión atmosférica existente deberá seragregada a la presión del manómetro para convertirla a absoluta, y ya que el promedio de presiónatmosférica a nivel del mar es 14, 7, este valor es usado siempre. La altitud tiene que serextremadamente grande para que la exactitud de este valor sea afectada. De nuevo, viendo laFigura 1, cuando el medidor lee 50, la presión absoluta es:

50 psig + 14 ,7 libras por pulgada cuadrada absoluta.Cuando el medidor lee cero, la presión absoluta es: O + 14,7 = 14 ,7 psia .

.- PRESiÓN EN PULGADAS DE MERCURIO (IN-HG), Este es otro método para medir la presión y serealiza a través de un manómetro. Este es usado donde las presiones son bajas y se requiereextrema precisión. Como se ve en la figura siguiente el manómetro es un tubo de plástico o vidrioen forma de "U" lleno con mercurio. Una escala es colocada en el centro. Como se ve a laizquierda, la presión no está disponible en esa conexión por lo tanto la presión atmosférica está enla parte superior del brazo izquierdo y puesto que el brazo derecho esta ventilado, los dos brazosestán balanceados. En la Figura de la derecha, una presión ha sido aplicada. Esa presión tiene"fuerza" suficiente para empujar la columna de mercurio a la altura "A" que es cuatro pulgadas demercurio. Por eso es necesario que se le agreguen dos brazos al manómetro. Todo esto es muyelemental, pero el punto es que la fuerza está empujando contra las cuatro pulgadas de mercurio.En consecuencia, para obtener las lecturas en términos absolutos, la presión atmosférica enpulgadas de mercurio debe ser agregada;

4" Hg + 29 = 33" Hg absoluto,

"Esta es otra forma de explicar la presión absoluta. Una pulgada de mercurio equivale a O,491 psi.

VENTEO A LAAlMOSFERA

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VENTEOALAAlMOSFERA

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FUNDAMENTOS TECNICOS DE DISEliloy OPERACiÓN OE COMPRESORES

PARAGNV

.- PULGADAS DE AGUA: Las pulgadas de agua son medidas usando un manómetro lleno de agua.Puesto que el agua es 1/13 .6 tan pesada como el mercurio es la manera precisa de medir nivelesde presión muy bajos.

13 .6 pulg. H20 =1 pulg Hg =0.491 psi

.- GRADOS FAHRENHEIT - (OF) Esta escala de temperatura es usada generalmente en los países dehabla inglesa pero rápidamente sustituida por la escala Celsius y el sistema métrico. El punto decongelamiento del agua en esta escala es 32° y el punto de ebullición a presión atmosférica es212°. La distancia entre estos dos puntos es 180~. Este rango de puntos pareciera extraño peroFahrenheit en realidad comenzó en cero porque en el tiempo en que ideo la escala, cero era elmínimo absoluto al que el agua podia ser llevada. El hizo esto agregando sal.

.- GRADOS CENTíGRADOS (CELSIUS) - (OC) Esta escala es usada en muchos países y universalmenteen trabajos cientificos el punto de congelación del agua (pura) es en Cero y el punto en que hierve100.

La fórmula para convertir °F a oC es:

°C/5 =("F- 32)/9, ó oC =5/9(OF - 32)

.- GRADOS RANKIN (OR) La escala Rankin es usada solamente en trabajos cientificos. Los cálculosestán basados en cero energías. La temperatura es también una medida de energía (mientras másalta mayor la energía), y como en el caso de presión absoluta, el punto de cero energía es -460°Fconocido como cero absoluto. Los valores de temperatura en las fórmulas deben ser expresadosen grados Rankin.

.- GRADOS KELVIN (OK) No es más que la temperatura absoluta e n OC.

.- BTU (UNIDAD TÉRMICA BRITÁNICA) es una expresión de la cantidad de calor usada en los paises dehabla inglesa. Es la cantidad de calor requerida para elevar la temperatura de una libra de aguapura en un °F. La unidad térmica francesa es Kilocaloría o la cantidad de calor requerida paraelevar la temperatura de un kilogramo de agua pura en un oC. El calor es una medida del trabajo;por ejemplo

1 BTU = 778 libras-pie.

.- TRABAJO: El Irabajo puede ser expresado por:

1Hp-hr = 2545 BTU.


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FUNDAMENTOS TECNICOS DE OISEIÍIOy OPERACiÓN DE COMPRESORES

PARAGNV

Trabajo 0NJ = Fuerza (F) x Distancia (O)

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Esta sencilla fórmula es la base para entender cómo se produce la potencia en un motor ocompresor. A medida que se avance en las definiciones, se descubrirá el conocimiento práctico deun motor. En consecuencia, el principiante debe entender completamente su significado. La fuerzapuede estar en cualquier unidad tales como libras, gramos, etc. La distancia "O" puede estar enpies, pulgadas, metros. Pero en términos anglosajones la mayoria de las veces están en libras ypies, entonces el trabajo estaría expresado en Iibras- pie. Esto se puede expresar gráficamente enla Figura siguiente: El hombre ha empujado el bloque de 50 lb (incluyendo la fricción) a lo largo de10 pies; por lo tanto, el ha ejecutado 500 libras-pie de trabajo. Siempre hay una regla para todaslas fórmulas. La de aquí es que el valor de la fuerza aplicada tiene que ser e I promedio entre elprincipio y el fin.

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1, I 50 lbs II I I

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•10 pies

Veamos la siguiente figura:

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Ing. Pedro M. Lugo, [email protected], www.soitecca.com 38

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FUNDAMENTOS TECNICOS DE DISE!\lOy OPERACiÓN DE COMPRESORES

PARAGNV

El cilindro de la figura fue cargado inicialmente con 600 psig de presión de aire. El diámetro delpistón es 18 pulg o un área de 254,5 pulg2

. Puesto que la presión inicial era 600 psig entonces porcada pulg2 de área del pistón hay una fuerza de

600 psig x 254,5 pulg2 =152700 libras de fuerza inicial.

La presión al final de la carrera es 10 psig o una fuerza final de 10 x 254,5 =2545 libras. Si el aireen el cilindro se expande a lo largo de la linea sólida A-S (ver Figura siguiente) entonces la fuerzapromedio a lo largo de la carrera sería

(152700 + 2545)/2 =149455/2 = 74727.5 libras,

Pero ni el aire ni ninguna carga en un cilindro de potencia se expanden así. Sería muy altainicialmente y caería rápidamente al principio nivelándose de manera similar a la línea punteada AS. En ese caso el promedio de los dos puntos no podría ser usado para encontrar la fuerzapromedio duran te la c.arrera. La fuerza promedio a lo largo de la línea punteada A-S será discutidamás adelante pero por ahora se tiene que:

Trabajo = Fuerza promedio x Distancia

Con la fuerza promedio en libras y la distancia en pies y el producto resultante en trabajo en libraspie.

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PARAGNV

.-IMEP - PRESiÓN MEDIA EFECTIVA INDICADA: Considere un cilindro de combustión interna (depotencia) con un diámetro de 18 i n y 20 pulg de carrera como el del ejemplo anterior, si la presiónpudiese ser medida en uno de los cilindros de potencia a cualquier.y en cualquiera de lasposiciones de la carrera desde el tope hasta el fondo mientras opera a toda potencia, entonces laverdadera gráfica de la linea punteada A- B podria ser dibujada. Esta línea representaría lamanera real en la cual la carga encendida se expande en el cilindro (expansión o carrera depotencia). Con esa información hay una forma de averiguar la presión promedio duran te lacarrera. Esto se hace a través de un indicador (analizador electrónico) que mide la presión real enel cilindro a cualquier posición de la carrera a partir de la cual se puede calcular la presiónpromedio. Esta presión promedio por carrera es conocida como Presión Media Efectiva Indicadaporque es tomada por un indicador. Esta presión representa la energia o trabajo que realiza elcilindro.

IMEP =134 psig

Área del Cilindro 254,5 in2

Fuerza promedio por carrera = 134 x 254,5 =34103 lb

Carrera (D)= 20 " 112 = 1,66 pies

( W=34103x 1,66= 56611 lb-pie

Este es el trabajo producido en el cilindro más no el trabajo en el volante o el eje.

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.- FÓRMULA PARA LA POTENCIA (HP): Ahora que los principios básicos han sido discutidos se puedeavanzar y discutir la fórmula de potencia para cualquier máquina reciprocante. A.pesar que esta noes una herramienta usada para operar y mantener, el conocerla con tribuye. Se comenzará con lafórmula y después se discutirá:

HP = PLAN 133000

Donde:

HP = Potencía por cilindro

P = presión media efectiva en psig o presión promedio en e I cilindro durante la carrera

L= longitud de la carrera en pies

A = área del pistón en pulgadas cuadradas

N = rpm - en el ciclo de cuatro tiempos donde hay una carrera de potencia cada dos revolucionesdividir N por dos

33000 = representa el factor de conversión


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PARAGNV

Puesto que P está en términos de psig entonces la energia estará en cada pulgada cuadrada delpistón, de alll que el producto de P x A representaría la fuerza promedio en libras. La distancia quese mueve el pistón es en realidad la carrera pero se quiere la s lb- pie de trabajo por lo tanto elvalor de L tiene que estar en pies. El producto de F x O representa las lb-pie de trabajo por carrera.En el motor de dos tiempos el número de carreras de potencia por minuto es igual a las rpm, por lotanto el multiplicar por rpm en la multiplicación anterior d a como resultado la Ib-pie de trabajo porminuto. Puesto ~,ue ha y 33000 Ib-pie por minuto en un HP entonces la división completa laconversión en HP puros porque hay Ib-pie por minuto arriba y abajo; ellos se cancelan dejandosolo HP.

Si se usa el indicador electrónico o se considera la entrada al motor, los HP se conviertenentonces en IHP y la P se convierte en IMEP la cual es la verdadera presión promedio en elcilindro por cada carrera de potencia. Cuando se usa potencia al freno, los HP se transforman e nBHP y P se vuelve Presión Media Efectiva al Freno (BMEP). BMEP no es realmente la presiónpromedio en el cilindro si no una Figura comparativa que es usada más comúnmente pararepresentar la presión, energía o nivel de esfuerzo en el cilindro por carrera. Es usadaconvenientemente porque el valor de BHP está usualmente disponible mientras ellHP no.

Ejemplo: Tomando los valores del ejemplo anterior, tenemos que la presión promedio es de 134psíg y el motor gira a una rpm, entonces la Ib-pie de trabajo producido serían 134(1MEP) x254,5(Área) x 1,66 (una carrera) x 1 (minuto) o 5661 lb-pie por minuto que para 330 rpm serian18681630, dividiéndolos entre 33000 para llevarlos a hp daría 566,11 hp por cilindro.

•- POTENCIA INDICADA (IHP) : Los 566,11 hp son en realidad HP indicados porque se usó la presiónpromedio (IMEP) en el cilindro para calcularlos y el término indicado viene de el hecho que esevalor fue encontrado usando un indicador (medIdor) . IHP es la verdadera energia de entrada almotor mientras toda esta energía está en el lado de arríba del motor.

.- POTENCIA AL FRENO (BHP): Potencia al Freno es la energia disponible en el eje o suministrada algenerador de un moto-generador eléctrico. Es lo que queda de la energía generada, después quelas pérdidas mecánicas del motor son restadas de los IHP (pérdidas por fricción, compresión yequipos auxiliares). Esto también es cierto para unidades compresoras integrales pero allí es laenergía disponible en el bloque donde se atornílla la guía de la cruceta. En ese caso la potenciadisponible para compresión se supone deduciendo 5% de la potencia al freno. Este 5% espérdidas en el bloque o la cruceta. La palabra "freno viene de los dias en que los BHP eranmedidos atando un freno Pony al eje de accionamiento del motor.

•- EFICIENCIA MECÁNICA: La energia de entrada del motor es IHP y la de salida BHP, por lo tanto, laeficiencia mecánica es:

Eficiencia mecánica = BHP/IHP

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íFUNDAMENTOS TECNICOS DE DISEÑO

Y OPERACiÓN DE COMPRESORESPARAGNV

Puesto el motor ejemplo tasado a 500 BHP por cilindro y, se indicaron 566,1 IHP , la eficienciamecánica en este caso seria:

í Em. =500/566,11 o sea 88 %

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La eficiencia mecanlca de todos los modelos de motores varía principalmente debido a ladiferencia de eficiencia en los medios de obtener combustión y barrido de aire. Todos los motores

,fiürbo cargados puros son más eficientes mecánicamente porque el aire es obtenido solamente delturbo cargador accionado por los gases de escape. Para aquellas máquinas que tienen unengranaje accionando un soplador, la carga parásita es mayor, por lo que su eficiencia mecánicaes menor o hasta 85 %. En cuanto a los modelos más antiguos con pistones suministrando aire amuy bajas tasas, la carga parásita es aún mayor y tienen una eficiencia mecánica de hasta 83 %.

.- PRESIÓN PICO: Este término se refiere a la presión más alta (psig) alcanzada en un cilindro depotencia.

.- VIBRACiÓN: Analicemos ahora un aspecto dinámico concerniente a toda máquina : la vibración .La acción de moverse hacia adelante y hacia atrás de un cuerpo oscilante es fácil de entendercomo definición pero al discutir esto técnicamente, se debería pensar en términos de cómo estávibrando el objeto y a que periodo. En otras palabras, cuando se reporta un problema de vibraciónen el campo, se debe dar la amplitud y la frecuencia. Considérese una pieza plana de lámina deacero anclada a una pared (Figura mostrada). Si el extremo de ésta fuera golpeado, vibraría. Lafuerza que golpeó el resorte es conocida como fuerza estimulante o de excitación o "excítatriz". Elresorte se moverá desde cero o posición neutral hasta "a" y esa distancia es 1/2 amplitud. Elretornará a la posicíón neutral

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FUNDAMENTOS TECNICOS DE DISErilOy OPERACiÓN DE COMPRESORES

PARAGNVy continuará hasta el punto "b" y ese movimiento o distancia (a + b) es llamada amplitud pico- pico.Si se puede observar el mismo movimiento gráficamente, es te aparecerá como el gráficomostrado, La distancia a lo largo de la curva desde Ohasta 1 es el tiempo que toma completar unciclo (a + b en el diagrama) y note que vibró cuatro ciclos en un segundo (CPS ciclos por segundo)la cual es la forma usual de referirse a la frecuencia, Algunas veces la frecuencia es anotada enciclos por minuto (CPM) y en este caso sería 5 x 60 segundos 300 CPM. Hay varios instrumentosdisponibles que medirán tanto la frecuencia como la amplitud. Estos varian en precio desdE!'insignificantes hasta muy costosos.

.- VIBRACiÓN TORSIONAL: Esta definición implica que este es un movimiento de giro. Este esilustrado en el esquema abajo. Aquí un extremo del resorte es fijado a un muro. Un disco es fijadoal extremo libre. Si el disco fuese rotado como el resorte de un reloj y soltado, el disco oscilaríahasta "a" y de regreso a través de la posición neutral hasta "b" y cuando regrese a neutral, un ciclosería completado. El dísco continuará hasta completar n número de ciclos dependiendo de laamortiguación interna del resorte. Como en la definición de vibración, el ángulo entre" a" y "b" esla amplitud y el número de ciclos por minuto o por segundo será la frecuencia. La situación anteriores similar aun cigüeñal rotativo en un motor pero mientras rota, el mismo oscilará como en lafigura. En ese caso el volante del motor puede ser considerado como el muro, el eje es en realidadel resorte y las bielas el disco. Se puede ver que el disco o lado delantero del eje tiene la amplitudmás alta y el eje en el volante ninguna. Esta es la posición conocida como nodo o no movimiento.

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PARAGNV

En el caso del cigüeñal la fuerza excitatriz viene de los pistones de potencia y/o compresión. Unavibración torsional es diferente de la vibración transversal antes definida, en que esta no transmiteningún movimiento al bloque o carcaza. A menos que ésta sea muy, muy violenta no puede s e rdetectada por ruido. La vibración torsional es normal a menos que la amplitud sea excesiva(velocidad critica, definida más adelante). Además, la vibración torsional no puede ser medida sinusar complicados y laboriosos instrumentos. El único recurso que tiene un operador es mantenerla unidad alejada de las rpm calculada que lo dañaría. OtrO'. punto que él y el personal demantenimiento debe recordar es que cualquier cambio en la unidad tal como remoción oreubicación de contrapesos, cambios en la masa rotativa del accionamiento o el equipo accionado,puede cambiar la ubicación de las rpm peligrosas.

._FRECUENCIA NATURAL: Cuando un objeto es golpeado o estimulado este vibrará a una frecuenciadeterminada. El valor de esa frecuencia dependerá del material, el t amaño, como estásuspendido, etc. La frecuencia en CPS o CPM a la cual éste vibrará es conocida como frecuencianatural. El cigüeñal de un motorti ene su propia frecuencia natural como la tendrá un motor o ungenerador. Sin embargo, después que ellos son conectados, se forma un nuevo sistema de masay este sistema tendrá una frecuencia natural diferente a la de los c componentes individuales. Lafrecuencia natural de un cuerpo o sistema de masa no cambia con la s rpm o e I número de vecesque es golpeada o estimulada (excepto cuando se usa un acople flexible en e I accionamiento encuyo caso éste puede cambiar de alguna forma con la carga y quizás con las rpm).

.- VELOCIDAD CRiTICA: La frecuencia natural se explicó y la fuerza estimulante como se definió es lafuerza iniciadora. Cuando la frecuencia de las fuerzas estimulantes equipara exactamente o estásintonizada con la frecuencia natural, la velocidad en esos puntos es conocida como velocidadcrítica. Esta debe ser evitada ya que a ese punto la amplitud y los ni veles de esfuerzo seincrementan a un nivel peligroso. La sintonización es el emparejamiento de la frecuencia naturalcon la fuerza estimuladora. Una manera de salir de la crítica es cambiar la frecuencia natural yesopuede ser hecho cambiando IJar ejemplo la masa. Por lo tanto, una vez el sistema es diseñado, lafrecuencia natural es establecida. En consecuencia, la única forma de salir de esa crítica escambiar las RPM. Se señaló anteriormente que la vibración torsional a velocidad critica tiene unaamplitud muy alta y peligrosa, pero; realmente no es audible. La única precaución que puedetomar el operador es conocer de las especificaciones del fabricante sobre cuáles son lasvelocidades críticas. Para aquellas unidades fabricadas para unas rpm fijas, la unidad no deberodar a otras velocidades fuera de la especificada si no es revisada por ingeniería.

.- NÚMERO DE ORDEN: es ',,1 término relacionado con vibraciones torsíonales y laterales que tienemucha importancia para los operadores y mantenedores. Es la tasa de frecuencia estimulante porRPM

Numero de orden = Frecuencia estimulante / rpm unidad

En otras palabras, si el número de orden es dos y e I motor está rodando a 300 rpm entonces lafuerza estimulante es 600 cpm.

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PARAGNV

." CARGA EN BARRAS (RL): Este es uno de los términos más mal interpretados del negocio, enconsecuencia una mera definición no será suficiente. En realidad es la fuerza neta que el pistón deun compresor induce en un accionamiento. Una mejor manera de definirlo es a través de unejemplo de cálculo de carga en barras. En la Figura abajo se puede ver que a medida que el pistónempuja el gas fuera del lado delantero (Head End HE) una fuerza (FI) es inducida contra el pistón.Puesto que este ejemplo y la mayorla de las unidades son de doble acción, gas a presión desucción es introducido en el lado de atrás (Crank End CE) mientras es descargado el HE. Ese gasde succión también dirige una fuerza (F2) más pequeña que FI pero en la dirección opuesta. Por lotanto, el empuje neto en el accionamiento es FI - F2.

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La barra del compresor tiene que aguantar ese empuje neto pero la reacción común de algunosoperadores es tomar en cuenta solamente a la barra. Ellos harán un cálculo rápido y determinaránel esfuerzo de la barra, y establecerán una succión y descarga sobre esta base. Olvidan queademás de la barra, pasador y cruceta, cojinetes, bloque y otros sentirán esa fuerza. El primero detodos esos elementos en fallar será el eslabón más débil en la cadena de ese motor. Este eslabón,el cual es diferente para todos los modelos de accionamientos es conocido por el departamento deingeniería y e I los asignan la máxima fuerza neta que puede ser aplicada. Ese valor es conocidocomo la Máxima Carga en Barras Permisible. La fórmula para describir la carga en Barras paracompresión es:

RLc = Área HE x P de Descarga - Área CE x P deSucci6n.

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I( FUNDAMENTOS TECNICOS DE DISEÑO


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De arriba se puede ver que la carga en barras depende del diámetro del cilindro y de las presionesde succión y descarga. Una vez se ha establecido el tamaño del cilindro, y la unidad aprobada poringenierla, la única forma de exceder la carga en barras es disminuir la presión de succión dediseño o aumentar la de descarga de diseño. Eso lo puede hacer el operador y él debe serinstruido a no hacerlo a me nos que las nuevas condiciones sean revisadas, Aumentar la presiónde descarga no parece ser la manera común de exceder la carga en barras permisible perogeneralmente por disminuir la presión de succión, particularmente por manejo inapropiado de lasválvulas en la linea de succión. Al contrario de algunas opiniones, no factor de seguridad o tiempoestipulado en la falla por carga en barras, cualquier cosa sobre los límites establecidos no essatisfactorio y una sola revolución es suficiente para causar daños serios.

Otro elemento que hace peligroso el exceder la carga en barras es que esta no es audible y debidoa esta falta de advertencia, el operador debe estar vigilante de la presión de succión.

.- RELACiÓN DE COMPRESIÓN: La relación de compresión de un cilindro compresor es la Presión deDescarga Absoluta I Presión de Succión Absoluta. La definición es bastante simple, pero es elasunto más importante en la operación de compresores. Un compresor reciprocante y unamáquina rotativa son unidades bastante simples. La primera tiene un pistón, anillos, válvulas y unabarra, y las válvulas son accionadas por un mecanismo muy simple. Se ha hecho común oíracerca de cilindros operando continuamente por siete años sin mantenimiento mayor, mientrasmodelos idénticos pueden tener una vida muy corta. Una de las razones principales para estadiferencia es la relación de compresión. Una máquina a la que se le pide bombear a relacionesmás altas tendrá temperaturas de descarga más altas y en consecuencía será más critica demantener. Esto se puede ver por ejemplo sacar de la fórmula para calcular la temperatura dedescarga:

T2

=TI

X Re (k-1)/k

Donde:

T2 = temperatura de descarga (OR)

T, =temperatura de succión (OR)

RC = Relación de Compresión

K = característica del gas

Se puede aclarar este punto simplificando la fórmula y comparando máquinas similaresbombeando el mismo gas bajo las mismas condiciones excepto que una bombea con una relaciónde 2,5 y la otra a 3,5. Puesto que ellas están bombeando el mismo gas entonces la k puede serconsiderada constante y en consiguiente la ecuación se convierte en una simple expresión de T, xRC de la cual se puede ver que al ser incrementada Rc se incrementa la temperatura de descarga.

La experiencia ha demostrado que cilindros tasados de manera conservadora operan de maneraconfiable por largos periodos de tiempo. Además, es la naturaleza del compresor que la T2 crecerá


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PARA GNV

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a medida que las válvulas empiecen a fallar y cuando éstas se rompen la tasa de incremento detemperatura se escapa fuera de control. A altas RC el operador tiene algunas veces que tornaracciones correctivas desde el mal funcionamiento hasta la falla catastrófica. La temperatura dedescarga no es el único efecto negativo de incrementar la relación de compresión. La RC afectatambién a la potencia requeridl'\; Hablando en general, a medida que se incrementa la RC, lapotencia aumenta.

4.1 TERMODINÁMICA ASOCIADA

GAS Y VAPOR: Por definición, un gas es un fluido que no tiene ni forma ni cuerpo independientes yque tiende a expandirse de manera indefinida. Un vapor es un líquido o sólido gasificado; unasustancia en forma gaseosa. Estas definiciones son de uso general hoy en día.

LA PRIMERA LEY DE LA TERMODINÁMICA: Esta ley afirma que la energía no se crea ni se destruyedurante un proceso (tal como el de compresión y entrega de un gas), aunque sí puedetransformarse de una forma de energía a otra. Dicho en otras palabras, cada vez que una cantidadde un tipo de energía desaparece, un total equívalente exacto de otros tipos de energía debeproducir se.

LA SEGUNDA LEY DE LA TERMODINÁMICA: Ésta es más abstracta y puede expresarse en muchasformas.

1. El calor no puede, por si mismo, pasar de un cuerpo frío a otro más caliente.

2. La energía disponible de un sistema aislado decrece en todos los procesos reales.

3. El calor o la energía (o el agua), por sI misma, fluirá sólo hacia abajo.

Básicamente, estas afirmaciones dicen que la energía existe en varios niveles y se encuentradisponible para emplearse sólo si puede moverse de un nivel alto a otro más bajo.

LEY DE LOS GASES IDEALES O PERFECTOS: Un gas ideal o perfecto es aquél en que se aplican lasleyes de Boyle, Charles y Amonton. En realidad, los gases perfectos no exísten, pero estas leyesse utilizan y se corrigen mediante factores de compresibilidad basados en datos experimentales.

LEY DE BOYLE: A una temperatura constante, el volumen de un gas ideal varía en forma inversa a lapresión. Se expresa como:


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Ésta es la ley isotérmica.

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LEY DE CHARLES: El volumen de un gas ideal a presión constante varía en forma directa como latemperatura absoluta.

V2 V;- == - == constante1; 1;

LEY DE AMONTON: A un volumen constante, la presión de un gas ideal variará en relación directacon la temperatura absoluta.

P2 PI- = - == constante7; 1; .

LA FÓRMULA DEL GAS PERFECTO: A partir de las leyes de Boyle y de Charles, es posible elucidar lafórmula para un peso dado de gas.

pV== WR'1'

Donde W es el peso y R' es una constante específica del gas en cuestión.

Ésta es la ecuación del gas perfecto o ideal. Dando un paso más allá, al igualar W en libras al pesomolecular del gas (1 mol), la fórmula queda:


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PARAGNV

Esta fórmula es muy útil. Ro se conoce como la constante universal de los gases y tiene un valorde 1545, que es igual para todos los gases. Sin embargo, hay que hacer notar que Ro es 1545sólo cuando P se expresa en Ib/ft 2; V se expresa en ft 3/1b mol; y T, en °R (OF + 460).

Cuando P se expresa en Ib/in2, Ro toma el valor de 10.729. La constante específica de los gases

(R'), para cualquier gas, puede obtenerse al dividir 1545 entre el peso molecular.

RELACiÓN DE CALORES ESPECíFICOS: El valor de k se encuentra en muchos cálculos. Existe unarelación definitiva entre el calor especifico a un volumen constante y el calor especifico a unapresión constante. Si se toma una mol de gas y se determina su capacidad calorífica se obtiene:

lVlcp =A1c" + 1.99

Mcu =Mcp - 1.99

En estas fórmulas, M es el peso de una mol de gas (peso molecular). Esto se resuelve confacilidad en:

Si se recuerdan las unidades del calor específico como Btu/lbrF de incremento de temperatura,puede calcularse el calor necesario para incrementar la temperatura de cada componente gaseosoen 1°F Ysumarlos para obtener el total de la mezcla.

4.2 PROCESO DE COMPRESiÓN

CÓMO TRABAJA UN COMPRESOR

Todo compresor está compuesto por uno o más elementos básicos. Un solo elemento, o un grupode elementos en paralelo, comprenden un compresor de una etapa. Muchos problemas decompresión involucran condiciones más allá de la capacidad práctica de una sola etapa decompresión. Una relación de compresión demasiado elevada (presión absoluta de descargadividida entre la presión absoluta de entrada) causa una excesiva temperatura de descarga y otrosproblemas de diseño.


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PARAGNV

Por lo tanto, puede ser necesario combinar elementos o grupos de elementos en serie para formaruna unidad de etapas múltiples, en la cual habrá dos o más pasos de compresión. El gas se enfriacon frecuencia entre las etapas para reducir la temperatura y el volumen que ingresa a la siguienteetapa. Asumamos que el gas es aire. Observe que cada etapa en si misma es un compresorbásico individual y está dimensionada para operar en serie con uno o más compresores básicosadicionales, y aun cuando todos puedan operar a partir de una sola fuente de poder, cada unasigue siendo un compresor separado. El elemento básico de compresión reciprocante es un únicocilindro que comprime en un solo lado del pistón (efecto simple). Una unidad que comprime enambos lados del pistón (efecto doble) consiste en dos elementos básicos de efecto simple queoperan en paralelo en una misma carcasa fundida. El compresor reciprocante emplea válvulasautomáticas accionadas por resorte que se abren sólo cuando existe una presión diferencialadecuada que actúa sobre la válvula. Las válvulas de admisión se abren cuando la presión en elcilindro es un poco inferior a la presión de aspiración. Las válvulas de descarga se abren cuando lapresión en el cilindro es un poco superior a la presión de descarga. La figura 4.1.1 muestra elelemento básico junto con el cilindro lleno de un gas, digamos, aire atmosférico.

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PARAGNV

En el diagrama teórico de PV (tarjeta indicadora), el punto 1 marca el inicio de la compresión,Ambas válvulas se encuentran cerradas. La figura 4.12 muestra la carrera de compresión, elpistón se ha desplazado hacia la izquierda, lo cual reduce el volumen original de aire con elconsecuente aumento de presión. Las válvulas permanecen cerradas. El diagrama PV muestra lacompresión del 'punto 1 al punto 2, y la presión dentro del cilindro ha alcanzado a la del depósito.

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/ng. Pedro M. Lugo, [email protected]. www.soltecca.com 51

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PARAGNV

La figura 4.1.3 muestra el pistón al momento de completar la carrera de entrega. Las válvulas dedescarga abren justo después del punto 2. El aire comprimido fluye a través de las válvulas dedescarga hacia el depósito. Después de que el pistón alcance el punto 3, las válvulas de descargase cerrarán, dejando el espacio libre lleno con aire a igual presión que la de descarga.

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Figura 4.1.3 El pistón se muestra al completar la carrera de entrega. Lasválvulas de descarga se abren justo después del punto 2. El aire compnmidofluye hacia el depós ita a través de la válvula de descarga.


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PARAGNV

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Durante la carrera de expansión (Fig. 4.1.4), tanto la válvula de admisión como la de descargapermanecen cerradas, y el aire atrapado en el espacio libre incrementa su volumen, lo cualprovoca una reducción en la presión. Esto continúa a medida que el pistón se ,mueve hacia la

rderecha hasta que la presión del cilindro cae por debajo de la presión de admisión en el punto 4.

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Figura 4.1.4 Durante la carrera de expansión, tanto la válv ula de admisión comola de descarga permanecen cerradas y el gas atrapad o en el espacio libreaumenta su volumen, lo cual ocasiona una reducción en la presión.

Ing. Pedro M. Luyo, [email protected]. www.soltecca.com 53

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FUNDAMENTOS TECNICOS DE DISEti/Oy OPERACiÓN DE COMPRESORES

PARAGNV

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Las válvulas de admisión se abrirán ahora y el aire fluirá dentro del cilindro hasta el final de lacarrera de retomo en el punto 1. Ésta es la carrera de aspiración, ilustrada en la figura 4.1.5. En elpunto 1 del diagrama PV, las válvulas de admisión se cerrarán y el ciclo se repetirá en la siguienterevolución del cigüeñal.

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Figura 4.1.5 En el punto 4, las válvulas de admisión se abrirán y el gas fluirádentro del cilindro hasta que finalice la carrera de retomo en el punto 1.


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FUNDAMENTOS TECNICOS DE DISEliioy OPERACiÓN DE COMPRESORES

PARAGNV

En un compresor reciprocante elemental de dos etapas, los cilindros se proporcionan de acuerdocon la relación de compresión, siendo la segunda etapa más pequeña ya que el gas, una vez quese ha comprimido y enfriado de manera parcial, ocupa un volumen menor que en la admisión de laprimera etapa. Al analizar el diagrama PV (Figura, 4.1.6), las condiciones antes de iniciar lacompresión se indican en los puntos 1 y 5 para la primera y segunda etapa respectivamente;después que ha ocurrido la compresión, las condiciones se indican en los puntos 2 y 6, Ydespuésde la entrega, en los puntos 3 y 7. La expansión del gas atrapado en el espacio libre a medida queel pistón regresa, se muestra en los puntos 4 y 8, Y en la carrera de aspiración, los cilindros sellenan de nuevo en los puntos 1 y 5; en ese momento el ciclo está preparado para repetirse. Lasetapas múltiples de cualquier compresor de desplazamiento positivo siguen este patrón.

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PRIMERA ETAPA

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Figura 4.1.6 Diagram a PV para un compresor de dos etapas.



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4.3 CICLOS DE COMPRESIÓN.{

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Existen dos ciclos de compresión teóricos aplicables a los compresores de desplazamientopositivo. Aunque ninguno de ellos puede obtenerse de manera comercial, ambos se empleancomo base para cálculos y comparaciones.

LA COMPRESiÓN ISOTÉRMICA tiene lugar cuando la temperatura permanece constante a medida quela presión aumenta. Esto exige una extracción continua del calor de compresión. La compresióncumple la fórmula:

LA COMPRESIÓN ADIABÁTICA (isentropica) se obtiene cuando no hay adición ni extracción de calordel gas durante la compresión. La compresión cumple la fórmula:

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AS • AOJABAncoAC • POUTRÓPICOAD· ISOTÉRMICO

AUSENCIA TEÓRICADE ESPACIO UBRE

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Donde k es la relación de los calores especificos. La figura 4.3.1 muestra los ciclos teóricosisotérmicos y adiabáticos sin espacio libre, sobre una base PV para una relación de compresión de4.

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VOLUMEN--••

Figura 4.3.1 El diagrama PV ejemplifica los ciclos teóricos de compresión.


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FUNDAMENTOS TECNICOS DE DISEiÍlOy OPERACiÓN DE COMPRESORES

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El área ADEF representa el trabajo necesario cuando se opera bajo condiciones isotérmicas y elárea ABEF, el trabajo necesario bajo condiciones adiabáticas. Resulta evidente que el áreaisotérmica es bastante menor a la adiabática y representa el ciclo de máxima economía decompresión. Sin embargo, el ciclo isotérmico no puede conseguirse de manera comercial, aunquelos compresores suelen diseñarse para lograr la máxima, extracción de calor posíble. Es casi;.imposible obtener una compresión adiabática exacta, ya que siempre existe pérdida o ganancia decalor. Por lo tanto, la compresión real ocurre a lo largo de un ciclo politrópico, donde la relación es:

El exponente n se determina de manera experimental para un tipo dado de máquina y puede sermenor o mayor que el exponente adiabático k. Por lo general, en los compresores dedesplazamiento positivo n es ro\!nor que k. La figura 4.1.3 muestra una curva característica de lacompresión politrópica para un cilindro de compresor reciprocante con chaqueta de agua. Desde elpunto de vista termodinámico, debe hacerse notar que IJn proceso isentrópico o adiabático esreversible, mientras que el proceso politrópico es irreversible. Ya sea n o (n-1)/n, pueden tambiéncalcularse en forma experimental a partir de datos de prueba si se conocen las temperaturas ypresiones de a¡:lmisión y descarga. Puede emplearse la siguiente fórmula:

TT2

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= l( pp2¡ J.n-1)¡" = r(,.-1)¡,.

• Esta fórmula puede emplearse también para calcular las temperaturas de descarga cuando se~ conoce n o (n-1)/n. Es evidente que tanto k como n pueden tener valores muy diferentes. En( ciertos círculos de ingenieros, había la tendencia a emplear de manera indistinta ambos símbolos~ para representar la relación de los calores especificas.

(;) REQUISITO DE POTENCIA: El requisito de potencia de cualquier compresor es la base principal paraf)) calcular sus dimensiones, asi como para seleccionar y diseñar los componentes del compresor. El(\1 requisito de potencia real se relaciona con un ciclo teórico mediante la eficiencia de compresión, la( cual se ha determinado con base en pruebas a máquinas anteriores. La eficiencia de compresión

es la relación de los caballos de potencia teóricos del gas sobre los reales y, tal como se empleaen la industria, no incluye las pérdidas por fricción mecánica. Estas pérdidas se agregan mástarde, ya sea al emplear una eficiencia mecánica o al sumar las pérdidas mecánicas realesdeterminadas con anterioridad. Por lo general, los compresores de desplazamiento positivoemplean eficíencias mecánicas que varían del 88 al 95%, dependiendo del tamaño y tipo deunidad. Históricamente, el ciclo isotérmico fue la base empleada por muchos años, pero hoy en díase emplea sólo en unos cuantos casos. Las máquinas de desplazamiento positivo se comparan enla actualidad contra el ciclo isentrópico o adiabático, el cual representa de una manera más fiel loque en realidad sucede en el compresor. Al calcular los caballos de potencia debe tomarse enconsideración el factor de compresibilidad Z, ya que su influencia es considerable en muchosgases, en particular a presiones elevadas.Ing. Pedro M. Lugo. [email protected], www.soltecca.com 57

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Una base del volumen de admisión es universal en los compresores de desplazamiento positivo.

Es importante diferenciar entre un volumen de admisión en una base de gas ideal (Vp1) y otro en

una base de gas real (Vr1l . Los volúmenes se dan a la presión y temperatura de admisión (P1 y

T1).

La fórmula básica para determinar los caballos de potencia de una sola etapa teórica adiabática es

la siguiente:

pV k Z +ZP Cad):::: t rl x--x(r(*-l)/k -1)x 1 2

T ~9 k-l U ¡

Esto representa el área de un diagrama PV adiabático teórico para el volumen por minuto (V1)manejado. Una base para V, empleada con frecuencia es la de 100 cfm (pies cúbicos por minuto)(reales) en las condiciones de admisión, en cuyo caso la fórmula se transforma en:

P k Z +ZP(ad)/lOO--L x x(r(k-l)/k_l)x 1 2

T 229 k-1 2Z¡

Otra forma empleada en la industria es la base para las gráficas empleadas con mayor frecuencia.En este caso se emplea un volumen de 1millón fe/d o MMCFD. En este único casO, V, se midecomo un gas perfecto a 14.4 psia y a la temperatura de aspiración, y la capacidad real delcompresor debe referirse a estas condiciones antes de calcular los caballos de potencia finales.

k Z +ZP (ad) I MMCFD :: 43 67 X - x (,-(*-1)/* -1) X 1 2

T • k-l 2

Debido a que el ciclo isotérmico se basa en la ausencia de cambios de temperatura durante lacompresión, el calor se elimina de manera continua en el momento en que se genera y de ahí queteóricamente no hay ganancia al emplear etapas múltiples. Por lo tanto, la ecuación siguiente seaplica a cualquier número de etapas, siempre que r sea la relación de compresión total o global.


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Ya se estableció previamente que el ciclo isotérmico (temperatura constante) es el que más ahorrapotencia. Si después de una compresión parcial, el gas se enfria a una temperatura igual a latemperatura original de aspiración (isotérmico de nuevo), es evidente que se reducirá la potencianecesaria en la segunda etapa. Para este caso en particular, el área ASCO representa el ahorro detrabajo en una compresión adiabática de una sola etapa. Para lograr una potencia mínima con uninterenfriamiento perfecto entre las etapas, existe una mejor relación teórica entre la presión deaspiración de las siguientes etapas. Ésta se obtiene al igualar la relación de compresión encadaetapa y asumir que la temperatura de aspiración es la misma en todas las etapas. La fórmulautilizada se basa en la relación de compresión global donde:

rs =relación de compresión por etapa

rt = relación de compresión global (Pfinall Pinleial)

S =número de etapas

r =sr;:• v' t

Como una regla, los compresores de desplazamiento comerciales se calculan en un principio conbase en lo anterior. Sin embargo, la máquina final suele operar a relaciones de compresión quevarlan un poco de éstas,' para penmitir la inclusión de otros factores que el diseñador debe tomar

en consideración. Cada etapa se considera como un compresor Individual, la capacidad (V1) decada etapa se calcula por separado a partir del volumen de aspiración real de la primera etapa, yse corrige para las condiciones reales de presión y temperatura existentes en la etapa superior dela admisión del cilindro y también para cualquier cambio en el contenido de humedad si existecondensación entre las etapas de un interenfriador, entonces, la potencia teórica por etapa puedecalcularse y así obtener los caballos de potenGla totales.

Sin embargo, dado que en raras ocasiones las relaciones de compresión son iguales, así comorara vez puede alcanzarse un enfriamiento perfecto, se cree que el mejor método general paracalcularlo es usar sólo una etapa a la vez.

ESPACIO LIBRE DEL CILINDRO Y EFICIENCIA VOLUMÉTRICA El espacio libre del cilindro no puedeeliminarse por completo. Un espacio libre normal variará alrededor de entre el 4 y el 16% para lamayoría de los cilindros estándar. Existen cilindros especiales con relaciones de compresión bajas,donde el espacio Iíbre normal es mucho mayor. El espacio libre normal no incluye el volumen deholgura, el cual pudo haberse agregado para otros propósitos, tales como el control de lacapacidad. Aunque la cantidad de espacio libre en un cilindro dado tiene muy poca importanciapara el usuario promedio (ya que la garantía se expide sobre la capacidad entregada), esnecesario entender su efecto sobre la capacidad debido al amplío rango de aplicación de lavariación en el volumen del espacio libre para controlar la capacidad y otros propósitos.



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Las variaciones en el espacio libre normal no afectan los requisitos de potencia. Cuando un pistónha terminado la carrera de compresión y entrega y se encuentra listo para revertir su movimiento,el gas a presión de descarga se encuentra atrapado en el espacio libre. Este gas se expande en lacarrera de retorno hasta que su presión es lo suficientemente inferior a la presión de aspiracióncomo para que las válvulas ,de succión se abran. En un diagrama PV (Fig. 4.4.2) se muestra elefecto de esta reexpansión sobre la cantidad de gas fresco aspirado. La capacidad real se afectaen realidad. La fórmula teórica para la eficiencia volumétrica expresada como porcentaje es:

." =100 - C(rVIo - 1)l' .J L.¿y/-, ¿ i' ¿J:>/é" .

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P¡ f---+----'-----------~=-'l. CAPACIDAD REAL

1+----- DESPLAZAMIENTO DEL PISTÓN--~

Figura 4.4.2 El trabajo realizado en un gas atrapado en el espaciolibre del cilindro (volumen del espacio libre) representa unaineficiencia.

Para efectos prácticos, existen factores que modifican lo anterior y, a continuación, se presentauna fórmula aceptada para realizar estimaciones aproximadas:

11. =100 - C(rlllo - 1) - L

Aquí, el término L se introduce para tomar en cuenta el efecto de variables como las fugasinternas, fricción del gas, caída de presión en las válvulas y precalentamiento del gas de admisión.El término L es difícil de generalizar, pero podría ser del 5% para un compresor de aire de presiónmoderada lubricado con aceite. Es necesario tener un valor de L mayor para los gases ligeros quepara los gases pesados debido a que la fuga es más grande.

Ing. Pedro M. Lugo, pedlugo@soltecca,com, www.soltecca.com 61


PARA GNV

Un análisis de las ecuaciones muestra que la VE (eficiencia volumétrica) decrece a medida que:(1) el espacio libre aumenta; (2) la relación de compresión aumenta, y (3) k decrece,

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PCA CIENTO DE DESPLAZAMIENTO DEL PISTON

Figura 4.4.3 Diagramas teóricos PV basados en una relación decompresión de 4.0, k de 1.40 yespacios libres de 7, 14 Y21 'Yo.

La figura 4.4.3 muestra una serie de diagramas PV teóricos basados en una r de 4.0, una k de1.40 y espacios libres de 7, 14 Y 21%. El efecto del espacio libre se indica de forma clara. Se hautilizado amplios rangos de espacio libre para propósitos de ejemplificación.

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80 60 40 20 o

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POR CIENTO DE DESPLAZAMIENTO DEL PISTóN

Figura 4.4.4 Efedo del espacio libre bajo condiciones de relación de compresión moderada yatta.Un diagrama pV para una relación de 7 se sobrepuso en un diagrama para una relación de 4.siendo iguales todas las demás condiCiones


slb.Tec: FUNDAMENTOS TECNICOS DE DISEI'JOy OPERACiÓN DE COMPRESORES

PARAGNV

La figura 4.4.4 ejemplifica el efecto del espacio libre bajo condiciones moderadas y altas derelación de compresión. Un diagrama PV para una relación de 7 está súper puesto a un diagramapara una relación de 4, todo lo demás sigue siendo igual. Un espacio libre más o menos alto (14%)se emplea para propósitos de ejemplificación. El espacio libre para cualquier compresor comercialdiseñado para una relación de compresión de 7, sería mucho menor al 14%.

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POR CIENTO DE DESPLAZAMIENTO DEL PISTÓN

Figura 4.4.5 Efecto de k sobre la eficiencia volumétrica. El espacio libre es alto para fines deejemplificación.

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La figura 4.4.5 ejemplifica el efecto de k sobre la eficiencia volumétrica. En este caso, el espaciolibre es alto para fines de ejemplificación. Es evidente que el espacio libre preocupa al diseñadorcuando se tienen relaciones de compresión mayores y cuando se manejan gases con relacionesde calor específico bajas, aunque siempre se esforzará para mantener el espacio libre al menorvalor posible que sea consistente con las holguras de las válvulas y de funcionamiento adecuadas.


FUNDAMENTOS TECNICOS DE DISEi\iOy OPERACiÓN DE COMPRESORES

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5. DISEÑO DE COMPRESOPRES RECIPROCANTES PARA GAS

DISEÑO DEL CIGOEÑAL En los compresores grandes se han proporcionado hasta 10 unidades deexcéntrica de cigüeñal. Las manivelas están dispuestas con ángulos iguales entre cada una para .proveer fuerzas óptimas y la mayor suavidad posible en el par de torsión del esfuerzo global de lamanivela. Las unidades con números pares de excéntricas del cigüeñal se acomodan con pares demanivelas opuestas a 1800 para anular las fuerzas de inercia; las unidades con números nones deexcéntricas del cigüeñal necesitan configuraciones especiales en los ángulos entre manivelas oemplear crucetas falsas. Los cilindros originan fuerzas pulsantes de compresión y pares de torsiónvibratorios en el cigüeñal, con picos que pueden exceder hasta 5 veces el par de torsión de loscaballos de potencia promedio del compresor. El diseño del cigüeñal debe ser moderado parasoportar tanto este esfuerzo sobre las manivelas, como las tensiones vibratorias. Para loscompresores con capacidad que sobrepase un poco alrededor .de 150 Kw por manivela, elcigüeñal debe ser de hierro forjado. Una especificación que se aplica con frecuencia es la API618,del American Petroleum Institute (Instituto Americano del Petróleo), la cual exige que todos loscigüeñales sean de acero forjado templado y con las superficies del cojinete esmeriladas. Losfabricantes con experiencia demandan, además, que las manivelas sean forjadas a partir delingotes de acero para proporcionar un flujo mayor de granos a través del brazo de la manivela yde las manivelas mismas, en lugar de maquinar las manivelas a partir de un lingote. Los materialesempleados son aleaciones de acero AI81 1045 o AI81 4140 con inspección ultrasónica por partedel proveedor del cigüeñal. Los cigüeñales se compran totalmente terminados de proveedores queforjan el material, quienes cuentan con instalaciones especiales para el forjado estampado yesmerilado de las chumaceras y de las espigas (muñones) de las manivelas. Asimismo, debeponerse especial atención en proporcionar radios pulidos entre las manivelas y los brazos de lasmanivelas. Además, se perforan pasos de aceite para permitir que éste fluya de las chumaceras alos muñones de las manivelas. Las intersecciones de estas perforaciones deben radiarse y pulirsepara evitar los puntos de concentración de esfuerzos. Para ayudar a compensar las fuerzas ymomentos desbalanceados se emplean contrapesos, ya sea sostenidos con pernos o integrales.



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PASAJE DE ACEITE

EXTREMO DE LABOMBA DE ACEITE

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MUÑÓN DE LACHUMACER¡\PRINCIPAL

MUÑÓN !'lELA BIELA

Figura 5.1 Cigüeñal de t res excéntricas donde se muestran pasajes de aceite ycontrapesos.

COJINETES Y SISTEMAS DE LUBRICACiÓN: En la mayoría de las unidades, los muñones de manivela ylos cojinetes principales casquillo de aleación de aluminio son reemplazables y perforados conprecisión. No es necesario realizar ningún ajuste en el campo. La aleación de aluminio tiene unacapacidad para soportar cargas al tas yes improbable que raye la superficie del cigüeñal en casode que ocurriera una falla en el cojinete. Otros materiales empleados en los cojinetes son elaluminio con soporte de acero, el acero, o acero con soporte de bronce, el revestimiento conbabbitt (metal antifricción) y el trimetálico (acero-bronce-babbitt).En cualquiera de estos sistemasde cojinetes, es muy importante mantener limpios los filtros y las tuberlas de aceite, asi comomantener las presiones y temperaturas de lubricación especificadas.


FUNDAMENTOS TECNICOS DE DISE"'Oy OPERACiÓN DE COMPRESORES

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Interruptordepresión\

El aceite se alimenta apresiónalas zapatasdelacrueeta

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Sarillade agua

Figura 5.2 Cojinetes ycigueñal de dos manivelas

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.. Filtrodeaceite aceiteda!

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Admisiónde agua

Todos los compresores de proceso grandes necesitan una lubricación de alimentación forzada conun rango mínimo de suministro, ver figura 5.3, incluyendo la bomba de aceite, el enfriador deaceite, y el filtro de aceite. Los requisitos de redundancia y de instrumentación dependen de quétan crítico sea el proceso en cuestión, y la norma API 618 comprende las opciones disponibles.

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Cedazo del sumidero de aceite-.gj~=1I~:JD" ... Sombadeaceite

Figura 5.3 Sistema de lubricacion forzada para un compresor rec/procante

Ing_ Pedro M. Lugo. [email protected], www.so/tecca.com 66

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( FUNDAMENTOS TECNICOS DE DISEJilOy OPERACiÓN DE COMPRESORES

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BIELAS Por lo general, las bielas de las máquinas reciprocantes de proceso se fabrican con acerofo~ado y con un dado cerrado para proporcionar un buen flujo del grano a través de la pieza.Además, se perforan pasajes de lubricación forzada a todo lo largo de la biela para permitir el flujode aceite desde el muñón de la manivela hasta el buje del perno de la cruceta. Los bujes de lacruceta son de bronce reemplazable. Los pernos de la biela son fo~ados especiales y los másgrandes tienen rosca rolada para obtener la máxima resistencia. (Figura 5.4)

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Figura 5.4 Partes Que conforman una biela.

CRUCETAS Por lo general, este componente deslizante se fabrica de acero fundido o de hierrofundido o dúctil, con opción de que el acero fundido cumpla la norma API 618. En las unidades quesuperan los 150 Kw se proporcionan zapatas superiores e inferiores reemplazables que se ajustancon calzas.


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La mayoría de las crucetas se diseñan con perno flotante (Figs. 5.5 y 5.6), sin embargo, algunasunidades más grandes se diseñan con perno fljo. Cualquiera de los dos tipos es aceptable paraconseguir una operación confiable a largo plazo.

Figura 5.5 Cruceta de un compresor reciprocante

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ZAPATA SUPE~IOR

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Figura 5.6 Partes de una cruceta de compresor reciprocante

Iny. Pedro M. Luyo. [email protected]. www.soltecca.com 68


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BASTIDORES Y CILINDROS Aunque algunos fabricantes ofrecen bastidores de equipo ensamblados osoldados, la mayoría de los bastidores de los compresores son de hierro fundido. Cada cilindrodebe diseñarse para la capacidad, presión, temperatura y propiedades del gas. para un proyectoespecifico. Entre los materiales disponibles para los cilindros se incluyen el hierro fundido y elhierro dúctil o nodular, el acero fundid~.J el acero forjado. Algunos fabricante~, como OresserRand, han construido una gran cantidá'd de cilindros de compresor ensamblados (soldados),empleando el acero al carbón o el acero inoxidable como materiales principales. Los cilindros entándem, figura 5.7, se proveen para aquellas situaciones donde los ahorros en costo y espacio sonprimordiales. Consideraciones similares pueden llevar a la selección de cilindros por pasos otruncados, figura 5.8.

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( Figura 5.7 LoscilindrDs en tándem están equipados conun segundo pistón conectado en linea con el primer( pistón. .


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Figura 5.8 loscilindrostruncadoso por pasos penniten el empleo de etapas múRiples para ahorrar espacio.

La mayoria de los cilindros de proceso montados en compresores grandes de doble efecto estánequipados con revestimientos completos reemplazables, los cuales se mantienen fijos para evitarel movimiento o rotación en los extremos. En los cilindros de acero siempre se emplean losrevestimientos (Fig, 5,9). Los revestimientos estándar se fabrican de hierro fundido centrifugado,ya que éste proporciona una buena superficie densa para los cojinetes.


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Pistón de lres piezas rcon anillos de soporte 'rellenos de TFE

FUNDAMENTOS TECNICOS DE DISEliIoy OPERACiÓN DE COMPRESORES

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Figura 5.9 Cilindro de compresor con medidas tal es como camisa con abrazaderas, enfriamierno y lubricación.

SUMINISTRO DE ENFRIAMIENTO Es muy común que los grandes compresor es de proceso de gasutilicen el enfriamiento forzado a todo lo largo del barril y las cabezas del cilindro (Fig, 5.10). Si seemplea agua, es importante que ésta se encuentre limpia y tratada. No es posible emplear agua derío sin tratamiento, ya que ésta provocará que se formen depósitos excesivos e incrustacionesdañinas en las chaquetas del cilindro, lo cual ocasionará un daño severo por sobrecalentamientodel cilindro. Se recomienda el empleo de un sistema de enfriamiento cerrado con una mezclaagua-glicol para minimizar los depósitos y evitar el goteo de líquido de los gases saturados dentrode los cilindros. El propósito de enfriar el cilindro, es para igualar sus temperaturas y evitar laacumulación de calor. Este enfriamiento sólo elimina el calor producido por fricción. El calor de

compresión se elimina con interenfriadores y postenfriadores.

/ng. Pedro M. Lugo, [email protected]. www.soltecca.com 71

slb.Tec: FUNDAMENTOS TECNICOS DE DISEliloy OPERACiÓN DE COMPRESORES

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PISTONES En la mayoría de las aplicaciones, el material más empleado para los pistones es elhierro fundido. El aluminio se emplea en pistones grandes o en unidades de alta velocidad parareducir y balancear las fuerzas de inercia. Para algunas aplicaciones a presiones altas, superioresa 150 atmósferas de presión absoluta (ata), se emplean pistones y vástagos construidos de unasola piez~jntegral de acero para elevar la resistencia del pist?p. " •.,

ANILLOS DE PISTÓN Y DE SOPORTE la mayoría de las unidades de proceso en la actualidad estánequipadas con anillos de pistón de teflón (PIFE, politetrafluoroetileno). Por lo general se empleande 2 a 3 anillos de una sola pieza, con corte diagonal (figura 5.10). Para algunas aplicaciones apresiones altas (superiores a 300 ata), se emplean anillos segmentados de bronce de tres piezas.Asimismo, para algunas aplicaciones no lubricadas, se han empleado otros tipos de plásticosespeciales o polímeros de alto rendimiento. Un ensamble característico se ejemplifica en la figura5.11 los anillos de soporte de PTFE se utilizan para muchas aplicaciones tanto lubricadas comono lubricadas. los anillos soportan el peso del pistón y del vástago del pistón y pueden ser'ranurados, localizados en el centro del pistón, o de banda ajustados sobre el pistón. la presión desoporte en los anillos de soporte suele ser inferior a los 0.7 kg/cm"(10 Ib/in2

). Como ya semencionó con anterioridad, es critico tener un gas limpio para prolongar la vida útil de los anillos depistón, de soporte y de empaque. la suciedad o la corrosión en la tubería y el acarreo deincrustaciones hacia el cilindro, causará un deterioro muy rápido del anillo, del interior (ánima) delcilindro y de las válvulas.

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Fiugura 5.10 Diversos metodos de corte en los anillos de pistan


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Figura 5_11 Las bandas de soporte de PTFE empleadas como apoyosdel pistón en compresores no lubricados del tipo de contacto_

VÁLVULAS: Virtualmente todos los compresores de proceso de gas y de aire de tamaños moderadoa grande, emplean válvulas de resortes accionadas por gas. Aunque existen ciertas reclamacionesy acusaciones por parte de varios fabricantes, ellos comparten el deseo de proporcionarconfiguraciones duraderas que sean compatibles con la composición y presión del gas. Por otraparte, casi siempre las válvulas se colocan en forma simétrica alrededor de la circunferenciaexterior del cilindro y pueden quitarse desde afuera para darles mantenimiento. Unas buenasespecificaciones ordenan configuraciones que impidan errores de instalación. Si se revierte elsentido de una válvula de succión, ésta puede funcionar como válvula de descarga y viceversa. Deforma similar, un mal diseño de válvulas puede provocar que algunos componentes deterioradoscaigan dentro del espacio de compresión del cilindro. Es evidente que esto resultaría en daños eincidentes de seguridad catastróficos. Para evitar las fallas estructurales del asiento o de laguarda, existen diseños de válvulas que cumplen las normas API y que utilizan un perno central.Este pemo está diseñado de forma tal, que aun en el supuesto de que falle, no caerá dentro de lacámara de compresión, El perno central proporciona una buena parte de la de la resistencia físicade la válvula. Sin el perno, el asiento de la válvula por sr mismo tendría que soportar toda lapresión diferencial. El empleo del perno central permite al diseñador aprovechar la resistenciafísica disponible para la guarda, ya Que el perno central mantiene unidas la guarda y el asiento.Esto trae como consecuencia menores volúmenes de espacio libre provenientes de asientos yguardas más delgados, lo cual no es posíble lograr en diseños de válvulas Que no emplean elperno central. Las válvulas con un mal diseño pueden causar decrementos notables en laeficiencia de compresión; la carrera de la válvula, así como en su área, inciden sobre la velocidaddel gas, por lo Que deben dimensionarse en forma apropiada.


S~b.Tec:

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En la mayoría de aplicaciones a presiones altas, las válvulas amortiguadas han reemplazado a lasde canal. A medida que la masa de la placa es menor, mayor será el amortiguamiento y, el hechode que la concentración "de tensión sobre la placa es menor, ha llevado al éxito a la válvula

amortiguada, ver figura 5.12.

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Figura 5.12 Corte de las posiciones cerrada y abierta de una válvulade placa amortiguada donde se ejemplifica la característICa neumáticadel amortiguamiento


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S~b.TISC: FUNDAMENTOS TECNICOS DE D1SEIÍlOy OPERACIÓN DE COMPRESORES

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VÁSTAGOS DEL PISTÓN: El material estándar recomendado para los vástagos del pistón es laaleación de acero AISI 4142 endurecido por inducción a lo largo de la zona de empaque hastaalcanzar un grado de dureza Rockwell e de 50 como mínimo. Se dispone de otros materiales talescomo el acero inoxidable para incrementar las propiedades de resistencia a la corrosión. Sinembargo, estos materiales no pueden endurecerse más allá de 40 e de dureza .Rockwell. Existentambién recubrimientos duros especiales como el carburo de tungsteno y otros materialescerámicos. Los compresores de proceso de alta calidad, incorporan vástagos del pistón equipadoscon roscas roladas de precisión (Fig..5.13), lo cual ofrece mucha mayor resistencia a la fatiga quela rosca torneada. La norma API 618 también especifica el empleo de roscas roladas.

Figura 5.13 Rosca rolada en el vastaga de un pistan

EMPAQUES Los empaques se necesitan cada vez que los vástagos de los pistones sobresalen delos cilindros de los compresores y de los espaciadores. Lo más común es emplear empaques deflotación completa auto lubricados de PTFE ya que proveen operaciones de larga duración confugas de gas mínimas. Es común utilizar una alimentación de lubricación excepto a presiones altassuperiores a 150 ata, en donde pueden haber dos alimentaciones. En la figura 5.14 se muestra unsistema característico para empaques de presión de los vástagos del pistón.


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Figura 5.14 Cartuchos de empaque y las configuraciones en que se encuentran disponibles.Sencillo, doble, radial, o anillos con corte tangencial con pasajes para lubricación


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ESPACIADORES, Con frecuencia, estos componentes se proporcionan como elementos de acerovaciado o hierro fundido, o de soldadura de acero. La geometria de los espaciadores puede variarpara satisfacer la aplicación especificada. Un espaciador estándar es un compartimiento único conrespiraderos y drenes. El empaque de presión se ventila por separado. Todos los espaciadorescUl¡!ntan con aberturas grandes, cubiertas b~rméticas y juntas para facilitar el mantenimiento de losempaques. Para los servicios no lubricados o de otro tipo que necesitan un anillo para recoger ellubricante de aceite, se emplean espaciadores de mayor longitud con el fin de asegurar que aninguna parte del pistón ingrese. La función principal de un limpiador de aceite es la de evitarpérdida de aceite del cárter; no evitará que entre gas al cárter. Cuando se trabaja con gases quepudieran contaminar el aceite del cárter o que sean peligrosos, se recomienda emplear losespaciadores de dos compartimientos.

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Figura 5.15 Espaciador de un solocompartimiento para aplicaciones generales decompresión de acuerdo conel estándar AP1618.

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6 DESEMPEÑO DE LOS COMPRESORES

El siguiente sumario lista los factores que más influencian el desempeño de un compresorreciprocante: '1

DESEMPEÑO TERMODINÁMICO, El sistema de control debería también estar diseñado de manera deminimizar el reciclaje continuo de caudales; dentro del compresor mismo, el pistón y lasempacaduras deben minimizar las fugas y los anillos del pistón deben alcanzar un buencompromiso entre prevenir el pasaje de gas y causar pérdidas por fricción, También, la correctaoperación de las válvulas es critico para el buen desempeño termodinámico,

ESQUEMA DE CONTROL La controlabilidad del compresor y su desempeño termodinámico resultante,está fuertemente influenciado por la filosofía básica de control de proceso, lo cual deberia serdiseñado teniendo en mente las características de la máquina,

REQUERIMIENTOS DE LA INSTALACiÓN Los siguíentes renglones son algunas de las precaucionesque deben tenerse en cuenta a la hora de arrancar y mantener en operación un compresorreciprocante:

,- Las fundaciones deben estar cuidadosamente diseñadas siguiendo los análisis dínámicos delcompresor y el mando, Aún en el caso de un compresor horizontal opuesto balanceado, esterequiere fundaciones considerables para resistir los momentos horizontales residuales y lasfuerzas verticales si s e usan contrapesos en el cigüeñal,

,- Las fuerzas en la tubería deben ser minimizadas, si no eliminadas,

,- En el caso de mando por motor eléctrico, el circuito eléctrico debe ser capaz de aceptarconsiderables fluctuaciones en la corriente como resultado de los requerimientos intermitentes detorque,

, - La tubería de succión debe ser completamente limpiada , ya que las conchas y el óxidorápidamente "'añan las válvulas; aún así deberá existir un tamiz en la succión,

Ing, Pedro M, Lugo, pedlugo@soltecca,com, www.soltecca.com 78


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OBSERVACIONES: Revisado por:

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6.1. CAPACIDAD (DESCARGA DEL CILINDRO)

En la mayoría de los casos, un compresor reciprocante necesita estar sin carga para el arranque.Dicho en una forma sencilla, podría parecer que el arranque de una máquina de desplazamientopositivo con carga completa necesitaría de un impulsor con un par de torsión de arranque del100%. Sin embargo, lo que encontramos es que un compresor reciprocante puede tener, por logeneral, una relación promedio de par de torsión pico de 3: 1. Este requisito del par de torsión pico,junto con el rompimiento de la fricción, significan que el impulsor debe tener ahora una capacidadde par de torsión de arranque de casi un 350%. De nuevo, al observar la realidad, encontramosque los motores se diseñan para tener una capacidad de par de torsión de arranque de un 40 a60%, por lo que resulta necesario un arranque sin carga.

6.2. ENFRIAMIENTO

Durante su ciclo de compresión normal, los cilindros de un compresor reciprocante suelen generarconsiderables cantidades de calor. El calor proviene del trabajo de compresión, más la fricción delos anillos del pistón contra la pared del cilindro. A menos que se disipe algo de este calor, puedenocurrir temperaturas de operación indeseablemente altas. Para permitir la eliminación de este calorcon algún medio de enfriamiento, la mayoría de los cilindros que se dedican a la operación con gasde proceso están diseñados con una chaqueta, existen varias ventajas en la disipación de estecalor.

1. Al disminuir las temperaturas de operación de la pared del cilindro, es posible reducir laspérdidas de capacidad y de potencia debido a que el gas de succión se precalienta en los pasajesde gas del cilindro calientes. Entre más frío se encuentre el gas de admisión, es más denso y darácomo resultado un mayor flujo de masa por unidad de volumen. Al eliminar calor del gas durante lacompresión, se disminuye su temperatura final de descarga y se reduce la potencia necesaria parala compresión.

2. Al disipar el calor del cilindro y reducir la temperatura del gas de admisión, se genera un mejorclima de operación para las válvulas del compresor, lo cual, a su vez, produce una mayor vida dela válvula y reduce la formación de depósitos.

3. Un cilindro enchaquetado lleno con refrigerante mantendrá una temperatura más homogénea através del cilindro y reducirá los puntos calientes que pueden Consideraciones sobre eldesempeño de los compresores y ocasionar una expansión térmica dispareja y una deformaciónindeseable del cilindro.

4. Una temperatura menor en la pared del cilindro produce una mejor lubricación del interior delcilindro. Los lubricantes se disgregan menos en una pared fresca que en una pared caliente y unamejor lubricación extiende la vida de los anillos y necesita menos mantenimiento.

Ing. Pedro M. Lugo. pedlugo@soltecca,com, www.so/tecca.com 81

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S;b.T.ec: FUNDAMENTOS TECNICOS DE DISEÑOY OPERACiÓN DE COMPRESORES

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6.3. LUBRICACION

DISEÑO DEL CILINDRO NO LUBRICADO Existen algunos procesos que no toleran aceite arrastrado enla corriente de gas. Pueden instalarse separadores de aceite en las líneas de descarga delcompresor; sin embargo, en ocasiones éstos no resultan bastante efectivos para el nivel delimpieza necesario o pueden existir problemas de seguridad relacionados con el contacto de ungas en particular con el lubricante. En tales casos, la única alternativa consiste en emplear diseñosde cilindro no lubricados. Con toda probabilidad un 20%de todos los compresores de gas deproceso se han diseñado para operación no lubricada debido a las demandas del proceso. Sin lapelícula de lubricante para reducir el desgaste, es necesario cambiar los materiales del anillo delpistón. Por lo general, un pistón no lubricado o anillo de montaje se fabrican de PTFE relleno decarbón o grafito. El relleno de carbón o grafito proporciona una medida de lubricación. El PTFErelleno de carbón o grafito es también un poco más suave y menos abrasivo en el contacto con elinterior del cilindro que el vidrio y/o el PTFE relleno de molibdeno. .,

6.4. VENTILACION

Siempre que una superficie en movimiento deba sellarse contra Un diferencial de presión, debeesperarse una fuga por lo general, en un compresor reciprocante esta fuga se produce en losvástagos de los pistones aun con las cubiertas de empaque multianillos más avanzadas, el gas deproceso, se fugará de los cilindros a través de los empaques del vástago, en casos donde a queeste gas de proceso suele ser peligroso, inflamable o incluso tóxico, es indeseable, y confrecuencia ilegal, permitir que el gas simplemente se fugue hacia la atmósfera por lo tanto, resultanecesario capturar esta fuga de gas por lo general, una cubierta de empaque tendrá una conexión·de ventilación entubada desde los últimos dos anillos en la cubierta de esta conexión no sólo sirvecomo ventila para eliminar el gas antes de que se fugue dentro del espaciador del cilindro, sinoque también sirve como dren para el exceso de aceite lubricante del cilindro, ésta es la razón porla cual las ventilas de empaque deben siempre entubarse a un punto por debajo del vástago delpistón estas conexiones de ventilación pueden entubarse hacia una chimenea de antorcha o haciaun sistema de recuperación de gas o de nuevo hacia la succión de gas , si es que la presión esbastante baja. sin embargo, la ventilación de la cubierta de empaque no proporcionará unacompleta seguridad contra la fuga de gas dentro del espaciador del cilindro para evitar las fugas degas hacia el bastidor del compresor, donde podria causar daños a la misma y al mecanismo enfuncionamiento, causar una explosión, o tan sólo fugarse hacia la atmósfera a través delrespiradero del bastidor, se acostumbra ventilar el espaciador hacia una chimenea de antorcha ohacia un sistema de recuperación.

Ing. Pedro M. Lugo, [email protected], www.so/tecca.com 82

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6.5. INSTRUMENTACION

La instrumentación es el área de diseño de un compresor que ofrece el mayor grado de libertad yde aportaciones personales de quien especifica el equipo. Dado que la instrumentación delcompresor no contribuye de manera directa al trabajo de bombeo de la máquina, con frecuencia nose toma en cuenta o se pasa por alto. La cantidad de instrumentación en una unidad dada puede irdesde algunos indicadores sencillos de presión y temperatura, hasta sistemas complejoselectrónicos o basados en sistemas de computación. Al analizar este tema se encuentra que lainstrumentación sirve para tres propósitos básicos: para monitorear, para proteger y paradiagnosticar.

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LOS INSTRUMENTOS DE MONITOREO son los básicos. Ellos son los indicadores o dispositivos delectura que permiten a los operarios examinar al compresor y su proceso para determinar si es quela unidad funciona con propiedad. Es import,mte instalar instrumentos de monitoreo para todos losparámetros críticos de operación de un compresor.

LOS DISPOSITIVOS DE PROTECCiÓN son aquéllos que sirven para alertar a los operarios sobre unacondición anormal o para evitar que el compresor se destruya a sí mismo. Si llegara a presentarseuna omísión del operador, los dispositivos de protección del compresor detendrán la unidad antesde que el problema alcance dimensiones desastrosas.

LOS INSTRUMENTOS DE DIAGNÓSTICO son aquéllos que moniiorean varios parámetros, integran sushallazgos y hacen un diagnóstico para determinar el estado del compresor. Los diagnósticosdeterminan no sólo si el compresor funciona con propiedad o ha fallado, sino que también predicenla aproximación de una falla o problema de operación. Cuando se emplea con propiedad, lainstrumentación de diagnóstico ayuda a programar los paros de mantenimiento en lugar de que elcompresor quede fuera de servicio en forma inesperada.

En la mayoría de los casos, la instrumentación de los compresores reciprocantes comprende lossiguientes parámetros.

PRESiÓN. Debido a que la función básica de un compresor reciprocante es elevar la presión del gasde un nivel a otro, la presión será el parámetro fundamental a observar. Para propósitos demonitoreo, un indicador sencillo de presión indica, de un vistazo y con exactitud, lo que se necesitasaber. Los indicadores de presión deben tener cuadrantes de gran diámetro de modo que puedanleerse con facilidad. Como con cualquier otro instrumento, la es cala del medidor debeseleccionarse de modo que, bajo condiciones normales de operación, el puntero se encuentre máso menos a la mitad del rango. Como en todos los instrumentos de presión, los indicadores paraésta, deben disponer de una válvula de aislamiento para facilitar el reemplazo o el servicio.Consideraciones sobre el desempeño de los compresores 89 Los interruptores de presión son uncomponente importante de cualquier sistema de instrumentación. Si es que las presiones van másallá de los límites normales de operación, el interruptor de presión puede activar tanto una alarmacomo un dispositivo de paro de protección o ambos. En el comercio existen disponibles una gran



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variedad de diseños diferentes de interruptores de presión: interruptores de un solo nivel ;interruptores de niveles múltiples; interruptores dobles en un solo alojamiento; con ajuste interno;con ajuste externo con ajuste de fábrica. Un interruptor normal debe construirse de maneraresistente con materiales adecuados para la aplicación y debe estar listado y aprobado para

.. ' operación en la clasificación de área para su ambiente de instalación. En el caso de condicionesde presión cambiante y para prevenir un desajuste accidental ocasionado por un contacto externoinadvertido, es conveniente contar con un ajuste interno para permitir los reajustes en el campo. Lalógica convencional del interruptor es tener los contactos normalmente cerrados en operación yabiertos para la activación de la alarma o del paro. De esta manera, si las líneas de alimentaciónse cortan en forma accidental, el circuito se abre; la máquina se detiene y la unidad no volverá afuncionar sin protección. Los interruptores de presión deben instalarse con válvulas de bloqueo ysangrado adecuadas. Esto permite que el interruptor pueda bloquearse y sangrarse de modo quesea posible verificar su punto establecido. Por lo general, con el objeto de ayudar a la calibración,se tendrá una tubería junto al interruptor de presión para colocar un indicador de presión o unaconexión para el mismo.

TEMPERATURA. En la mayoría de los procesos, la temperatura es tan importante como la presión.Un termómetro con carátula de 41/2 in es el indicador más común de temperatura para losprocesos industriales. Cuando se mide la temperatura de un fluido, el termómetro debe instalarseen un hueco térmico de material apropiado. Los termómetros con mecanismo de cabeza flexible(con díseño en cualquier ángulo) resultan ser convenientes ya que permiten ajustar la cara deltermómetro para facilitar la visión. Otro método de monitorear la temperatura es por medio de untermopar o un detector de temperatura por resistencia (RTD, resistance temperature. detector ).Esto permite monitorear la temperatura desde una ubicación remota en un dispositivo de lectura.Asimismo, 105 termopares y 105 RTD pueden ser útiles como sensores para 105 circuitos deprotección. En lugar de monitorear el instrumento o, tal vez, incluido en el instrumento demonitoreo, se encuentra un circuito comparativo que compara la entrada real del termopar con unnivel preestablecido. Cuando se alcanza este nivel, el instrumento envia una señal al circuito dealarma o de paro para alertar del problema a 105 operarios.



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7. FUNDAMENTOS DE MANTENIMIENTO

7.1. CONCEPTO

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Es el conjunto de acciones que permite conservar o restablecer un ISED (Instalación, Sistema,Equipo o Dispositivo) a un estado especifico, para que pueda cumplir con un servicio determinado.

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7.2. PROCESO

El proceso por medio del cual se mantiene la capacidad del sistema para realizar una función, esconocido como proceso de mantenimiento, y se define como: El conjunto de tareas demantenimiento realizadas por el usuario para mantener la funcionabilidad del sistema durante suvida operativa.

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7.3. TIPOS DE MANTENIMIENTO

Existen tres tipos básicamente reconocidos de operaciones de mantenimiento, los cuales están en

función del momento en el tiempo en que se realizan, el objetivÓ particular para el cual son puestos

en marcha, y en función a los recursos utilizados, así tenemos:

MANTENIMIENTO CORRECTIVO: Este mantenimiento también es denominado "mantenimiento

reactivo", tiene lugar luego que ocurre una falla o averia, es decir, solo actuará cuando' se presenta

un error en el sistema. En este caso si no se produce ninguna falla, el mantenimiento será nulo,

por lo que se tendrá que esperar hasta que se presente el desperfecto para recién tomar medidas

de corrección de errores. Este mantenimiento trae consigo las siguientes consecuencias:

• Paradas no previstas en el proceso productivo, disminuyendo las horas operativas.

• Afecta las cadenas productivas, es decir, que los ciclos productivos posteriores se verán

parados a la espera de la corrección de la etapa anterior.

• Presenta costos por reparación y repuestos no presupuestados, por lo que se dará el caso

que por falta de recursos económicos no se podrán comprar los repuestos en el momento

deseado

• La planificación del tiempo que estará el sistema fuera de operación no es predecible.

MANTENIMIENTO PREVENTIVO: Este mantenimiento también es denominado "mantenimiento

planificado", tiene lugar antes de que ocurra una falla o avería, se efectúa bajo condiciones

controladas sin la existencia de algún error en el sistema. Se realiza a razón de la experiencia y

pericia del personal a cargo, los cuales son los encargados de determinar el momento necesario

para llevar a cabo dicho procedimiento; el fabricante también puede estipular el momento

adecuado a través de los manuales técnicos. Presenta las siguientes características:

• Se realiza en un. momento en que no se está produciendo, por lo que se aprovecha las

horas ociosas de la planta.


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• Se lleva a cabo siguiente un programa previamente

procedimiento a seguir, y las actividades a realizar, a

repuestos necesarios "a la mano".


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elaborado donde se detalla el

fin de tener las herramientas y

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• Cuenta con una fecha programada, además de un tiempo de inicio y de terminación

preestablecido y aprobado por la directiva de la empresa.

• Está destinado a un área en particular y a ciertos equipos específicamente. Aunque

también se puede llevar a cabo un mantenimiento generalizado de todos los componentes

de la planta.

• Permite a la empresa contar con un historial de todos los equipos, además brinda la

posibilidad de actualizar la información técnica de los equipos.

• Permite contar con un presupuesto aprobado por la directiva.

MANTENIMIENTO PREDIGTIVO: Consiste en determinar en todo instante la condición técnica

(mecánica y eléctrica) real de la máquina examinada, mientras esta se encuentre en pleno

funcionamiento, para ello se hace uso de un programa sistemático de mediciones de los

parámetros más importantes del equipo. El sustento tecnológico de este mantenimiento consiste

en las aplicaciones de técnicas de diagnóstico, que pueden brindar información referente a las

condiciones del equipo. Tiene como objetivo disminuir las paradas por mantenimientos

preventivos, y de esta manera minimizar los costos por mantenimiento y por no producción. La

implementación de este tipo de métodos requiere de inversión en equipos, en instrumentos, y en

contratación de personal calificado. Técnicas utilizadas para la estimación del mantenimiento

predictivo:

• Análisis de vibraciones (Analizadores de Fourier)

• Endoscopia (para poder ver lugares ocultos)

• Ensayos no destructivos (a través de líquidos penetrantes, ultrasonido, radiografias,

partículas magnéticas, entre otros)

• Termovisión (detección de condíciones a través del calor desplegado)

Iny. Pedro M. Luyo, [email protected], www.soltecca.com 87

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• Medición de parámetros de

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7.4. RECURSOS

Los recursos necesarios para la realización con éxito de toda tarea de mantenimiento puedenagruparse en las siguientes categorías:

ABASTECIMIENTO o APROVISIONAMIENTO: es un nombre genérico que incluye el suministro de todoslos repuestos, elementos de reparación, consumibles, suministros especiales y artículos deinventario necesarios para apoyar a los procesos de mantenimiento.

EQUIPOS DE PRUEBA Y APOYO: incluye todas las herramientas, equipos especiales de vigilancia dela condición, equipos de comprobación, metrología y calibración, bancos de mantenimiento, yequipos auxiliares de servicio necesarios para apoyar a las tareas de mantenimiento asociadas alelemento o sistema.

PERSONAL: se incluye el necesario para la instalación, comprobación, manejo y realización delmantenimiento del elemento o sistema y de los equipos necesarios de prueba y apoyo. Debeconsiderarse la formación especifica del personal necesario para cada tarea de mantenimiento.

INSTALACIONES: incluye las instalaciones especiales precisas para la ejecución de las tareas demantenimiento. Deben considerarse las plantas industriales, edificios, edificaciones portátiles,fosos de inspección, diques secos, refugios, talleres de mantenimiento, laboratorios de calibracióny otras instalaciones para reparaciones especiales y revisiones generales relacionadas con cadatarea de mantenimiento.

DATOS TÉCNICOS: procedimientos de comprobación, instrucciones de mantenimiento,procedimientos de inspección y calibración, procedimientos de revisiones generales, instruccionesde modificación, información sobre las instalaciones, planos y especificaciones que son necesarios

Ing. Pedro M. Lugo, pedlugo@soltecca,com, www.soltecca.com 88

ARCHIVO HISTORICO: Es el registro cronológico de todas las acciones de mantenimiento ejecutadas,durante la vida útil del equipo. Contiene la información básica para el cálculo de 10$ indicadores demantenimiento

para realizar las funciones de mantenimiento del sistema. Tales datos no sólo se refieren alsistema, sino también al equipo de prueba y apoyo, transporte y manejo del equipo, equipo deinstrucción e instalaciones.

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RECURSOS INFORMÁTICOS: comprende los ordenadores y sus accesorios, «software», discos ycintas de programas, bases de datos, etc., necesarios para realizar las funciones demantenimiento. Incluye tanto la vigilancia de la condición como el diagnóstico

(}Il)('!J(""¡ 8. GESTION DE MANTENIMIENTO(

8.1. INDICADORES

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DISPONIBILIDAD: La disponibilidad se define como la probabilidad de que un equipo esté operando,o sea, disponible para su uso, durante un período de tiempo determinado. Es decir, ladisponibilidad es una función que permite estimar en forma global el porcentaje de tiempo total enque se puede esperar que un equipo esté disponible para cumplir la función para la cual fuedestinado. Cálculo de la disponibilidad Anteriormente, en la industria, el parámetro utilizado paraevaluar la disponibilidad era el factor de servicio (FS) el cual se calculaba de la siguiente manera:

fS = ,Hora.s de operación durante el mes,

Total de horas del mes

Sin embargo, en la mayoría de los casos el factor de servicio se sustituye por el índice demantenimiento (1M) el cual se expresa en la siguiente forma:

JfC(¡) + JIP( IIl/v! = .8760 .

/ng. Pedro M. Lugo. [email protected], www.soltecca.com 89

Me (1) Es el tiempo fuera de servicio para mantenimiento correctivo en un año.

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MP (1) Es el tiempo fuera de servicio por motivo del mantenimiento preventivo e inspecciones enun año.

'. La disponibilidad también se determinará según la siguiente fórmula:

1FtFD= _.TPEF, TPFS

Donde:

TPEF =Tiempo promedio entre fallas (MTEF)

TPFS =Tiempo promedio fuera de servicio (MTFS)

El tiempo promedio entre fallas (TPEF) se calculara, por equipos, y mediante la fórmula:

TPEF=Hop.l(No. de fallas)

Hop=horas de operación del equipo

No. de fallas = número de fallas del equipo

El tiempo promedio para reparar (TPPR), se calculara por equipos por planta y mediante lafórmula:

TPPR=IIpnp.l(No. de fallas)

Donde:

Hpnp = horas de paros no programados

No. de fallas = número de fallas del equipo



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ANALISIS MODAL DE FALLOS Y EFECTOS Pag.__de__.

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8.2. ANALlSIS DE FALLAS("

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( . Es un método inductivo de análisis de la seguridad y/o fiabilidad del funcionamiento de un sistema,( utilizando para ello, el estudio sistemático de las causas y consecuencias de los fallos que puedan( afectar a los elementos de este sistema. ,/

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1. Producto. Especificar el producto que se está analizando

2. Participantes. Indicar las personas encargadas del estudio del AMEF.

3. Fecha de realización. Indicar la fecha en que fue realizado el AMEF.

4. Fecha de revisión. Indicar el número de la última revisión y la fecha correspondiente

5. Función de la pieza. Indicar lo más brevemente posible la función de la pieza o conjuntoque se está analizando.

6. Efectos potenciales del fallo:

Sin consecuencias

Ligera molestia

Indispone o incomoda

Descontento

Gran descontento y/o gastos de reparación

Problema de seguridad


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7. Modo de fallo potencial.

8. Causas potenciales de fallo. Uso de material incorrecto

Corrosión antes del montaje

Dimensiones no de acuerdo a plano

Error de montaje

Par de apriete incorrecto

Lubricación insuficiente

Sobrecarga

Impurezas en el material

Pintura - recubrimiento de mala calidad

9. Detección. Reflejar todos los controles actuales diseñados para prevenir las causas

10. Frecuencia:

¡ng. Pedro M. Luyo, [email protected], www.soltecca.com 92

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Fundamentos Tecnicos de Diseño y Operación de Compresores Para Gnv