1.1.- Aplic aciones de vacío en la indus tri a de papel y celulos a. Ing Carlo Carlo s J orq uera,e uera,e mail: jo rqu era@ era@vtr .net .net 1.1 1.1 .- Filtr os en general. Los filtros de tambor o de disco tienen capacidad de proeducir su propio vacío por medio de piernas barométricas, pero en algunos casos es preferible conectar una bomba de vacío para independizarse de las variaciones del caudal de agua en las piernas, que podrían afectar el vacío. Los filtros se usan como: Filtros de lodo en la caustificación. • Filtros lavadores y espesadores en la fábrica de celulosa. • Filtros espesadores en las máquinas papeleras. • Filtros recuperadores de agua y fibra en las máquinas papeleras. •
1.2 1.2 .- Evapor Evapor ación de lejía negr a. Las etapas finales de la evaporación operan sometidas a vacío, el cual se obtiene por medio de un condensador, para transformar los vapores en líquidos, y una bomba de vacío para retirar los gases incondensables.
1.3 .- Turbinas de condensación. Para obtener la máxima eficiencia energética la descarga de una turbina de condensación se hace a la presión más baja posible, la cual se obtiene por medio de condensador y bomba de vacío.
1.4 1.4 ..- Form Form ación y pr ensado de papel y celu lo sa. En las máquinas papeleras, de cartón, secadoras de celulosa y en las formadoras de hojas húmedas el vacío se usa ampliamente, en cajas de vacío en la tela formadora, rodillos de succión de la tela y las prensas, rodillo pick up, cajas de vacío para acondicionamiento de fieltros y fabrics, sistema de vapor y condensado, etc,. Las potencias de las bombas de vacío, expresadas en Kw, llegan a diez veces la producción de la máquina en toneladas diaria, y equivalen a 176 KWH/ton. Constituyen uno de los grandes consumidores de energía de la máquina. Las presiones de vacío van de 0,5 mca en las cajas húmedas hasta 7 mca en los rodillos de succión de la tela y las prensas. En las máquinas con secadores a vapor frecuentemente tienen en las etapas finales de uso del vapor un condensador y bomba de vacío, con el objetivo de facilitar la extracción de condensado de los cilindros de baja temperatura.
1
2.2.- Aspectos f ísicos d e la pro ducc ión de vacío. vacío. El vacío se define como una u na presión de aire o gas g as inferior a la presión atmosférica del lugar. La producción de vacío es en consecuencia una compresión. Diversas máquinas de compresión reciben diferentes nombres, dependiendo de la faja de trabajo. Ellas son:
Compresores .- Máquinas que producen un aumento significativo de presión de un gas y que operan con presiones de succión semejantes a la atmosférica. Los más comunes son los compresores de aire que elevan la presión a 6 o 7 Bar para uso en fábricas u otras aplicaciones. Ventiladores .- Máquinas de gran caudal de aire y pequeño aumento de presión, que operan con presiones similares a la atmosférica. Bombas de vacío .- Máquinas que operan con presión inferior a la atmosférica en la succión, y similar a la atmosférica en la descarga. El objetivo de estas máquinas es obtener un ambiente enrarecido. (Ver Figura 2.1).
2.1 2.1 .- Propi edades de lo s g ases. Ecuación de estado: p*v=n*R*T p=Presión. v=Volumen n=Número de moléculas gramo. T=Temperatura absoluta. R=Constante de los gases 2
La base para la determinación de R es el hecho de que el volumen de una molécula gramo 2 de un gas a 0 ºC y al nivel del mar (presión de 1,033 Kg/cm ) es de 22,4 litros. Si tomamos como unidades: 2 p en Kg/cm v en litros T en Kelvins, resulta R=0,0848 Ese conjunto de unidades, a pesar de corresponder a la práctica habitual, no es homogéneo, por lo cual, si tratamos de relacionerlo con otras unidades, como por ejemplo energía o potencia, nos veremos en dificultades. Es preferible usar el sistema internacional, en que las unidades son: p en Pascal 3 v en m n en moléculas gramo T en Kelvins, en ese c aso resulta R=8,31 J/mol/K El primer principio de la termodinámica: dQ=dU+d τ Q= Calor U= Energía interna τ= Trabajo mecánico. Para el caso de los gases perfectos: dU=Cv*dt En que Cv es el calor específico a volumen constante d τ=p*dv (si el sistema sistema de unidades escogido considera una unidad diferente para la energía térmica y otra para la energía mecánica, será necesario multiplicar este resultado por el factor de conversión A entre ellas, resultando d τ=A*p*dv). p, v y T son llamadas variables de estado. Entre ellas se relacionan por la Ecuación de Estado, que es muy simple para el caso de los gases perfectos, pero que se complica bastante para otros fluidos. Hay otras variables de estado que se utilizan con frecuencia porque facilitan los cálculos, entre ellas la ya mencionada Energía Interna U (de la cual se conocen las variaciones, pero no el valor total), la Entalpía y la Entropía. La Entalpía se define como: h=U+p*v (suponiendo que las unidades dean en el SI). Para un gas perfecto: U=Cv*T h=Cv*T+R*T=Cp*T
3
Cp=Cv+R en que Cp es el calor específico a presión constante.
Compresión de un gas. Dependiendo de las condiciones de transferencia de calor para el exterior, la compresión puede ser: Adiabática. No hay transferencia de calor. dQ=0 La ecuación de esta compresión es: p*v =Cte. γ=Cp/Cv γ
Isoterma. La transferencia de calor es justamente la necesaria para mantener la temperatura constante. La ecuación de la compresión es: p*v=Cte Politrópica. Hay una transferencia de calor diferente de las anteriores. La ecuación de la compresión es: n
p*v =Cte Para valores de n<γ hay salida de calor del gas, y para n>γ hay entrada de calor externo. En los casos de la práctica por lo general se tiene 1
0 a 1 = Aspiración a presión constante constante p1. Entra el volumen v1. 1 a 2 = Compresión de la presión p1 a la presión p2 2 a 3 = Descarga a presión constante p2. La zona achurada representa el trabajo de compresión, que resulta ser: τ=p1*v1*Ln(p2/p1) para la compresión isoterma. τ=γ/(γ−1)∗ p1∗v1∗((p2/ p p1)⊥((γ-1)/γ)-1) para la compresión adiabática. τ=n/(n-1)*p1*v1*((p2/p1)^((n-1)/n)-1) para la compresión politrópica.
En la figura 2.3, diagrama pv, la compresión isoterma va de 1 a 2i, la adiabática de 1 a 2ª, y la politrópica de 1 a 2p. El trabajo mecánico es mínimo para la isoterma, máximo para la adiabática e intermedio para la politrópica. po litrópica. 3
2
Ejemplo: Comprimir 1 m de aire de 1 a 6 Kg/cm . Para facilitarnos la vida vamos a pasar 2 2 las unidades para el SI. 1 Kg/cm = 98000 Pa. 6 Kg/cm = 588000 Pa.
4
Isoterma: P1=98000 Pa v1=1 τ=98000*1*Ln(588000/98000)=175592 J Adiabática: γ=1,4 τ=1,4/(1,4-1)*98000*1*((588000/98000)^((1,4-1)/1,4)-1)=229229 J Politrópica: Aceptaremos el valor de n=1,2 τ=1,2/(1,2-1)*98000*1*((588000/98000)^((1,2-1)/1,2)-1)=204627 J 3
2
Ejemplo: Comprimir 1 m de aire de 0,3 a 1 Kg/cm absolutos (bomba de vacío). Isoterma: p1=29400 Pa p2=98000 Pa
5
3
2
Ejemplo: Comprimir 1 m de aire de 1 a 6 Kg/cm . Para facilitarnos la vida vamos a pasar 2 2 las unidades para el SI. 1 Kg/cm = 98000 Pa. 6 Kg/cm = 588000 Pa.
v1=1 τ=29400*1*Ln(98000/29400)=35397 J Adiabática: γ=1,4 τ=1,4/(1,4-1)*29400*1*((98000/29400)^((1,4-1)/1,4)-1)=42247 J Politrópica: Aceptaremos el valor de n=1,2 τ=1,2/(1,2-1)*29400*1*((98000/29400)^((1,2-1)/1,2)-1)=39198 J Calor y aumento de temperatura. En la compresión isoterma dT=0 de modo que dQ=d τ No hay aumento de temperatura, de modo que todo el trabajo mecánico que se le aplica al sistema se transforma en calor.
En la compresión adiabática dQ=0 de modo que Cv*dT=-d τ es decir, todo el trabajo mecánico aplicado se transforma en energía interna, correspondiente a aumento de temperatura.
6
2.2 .- Infl uenci a de la temperatur a y de la hum edad en la produ cci ón d e vacío. La misma masa de aire tiene un volumen que es función de la presión y de la temperatura, de acuerdo con la ecuación de estado de los gases: v=n*R*T/p Para 1 Kg de aire seco n=35,09 mol. Como el aire pasa en contacto con la hoja húmeda, va a estar saturado con la temperatura de la hoja.. Si usamos una bomba de anillo líquido, el aire tomará la temperatura del agua del anillo y el exceso de humedad se condensará. La humedad de saturación está determinada por la presión del vapor saturado a la temperatura en cuestión, por la ecuación de estado y por la ley de Dalton, en la siguiente forma: Tomaremos 1 Kg de aire seco con una humedad absoluta x. El valor de n para 1 Kg de aire seco es 35,09. El valor de n para 1 Kg de vapor de agua es 1000/18=55,5, y en consecuencia para x Kg de vapor de agua será 55,5*x. Las presiones parciales del aire y el vapor de agua, a una temperatura T y suponiendo que ocupen un volumen v, serán p aire=35,09*R*T/v p vapor=55,5*x*R*T/v La presión del ambiente será igual a la suma de las presiones parciales: p=p aire + p vapor p vapor/p aire=55,5*x/35,09=x/0,631 p aire=p vapor*0,631/x p=p vapor*+p vapor*0,631/x 0,631/x=(p-p vapor)/p vapor x=0,631*p vapor/(p-p vapor) y el volumen que va a ocupar ese vapor será: v vapor=55,5*R*T/p Llamamos la atención sobre el hecho de que la influencia de la temperatura es tanto mayos cuanto mayor el nivel de vacío, siendo imposible sobrepasar un vacío equivalente a la presión de saturación en que p=p vapor. La tabla 1 muestra la influencia de la temperatura en el volumen a bombear, para 1 Kg de aire seco y diferentes temperaturas, a presión atmosférica. La tabla 2 muestra lo mismo para una presión de vacío de 0,3 Bar (vacío de 7 mca). Se puede observar que para un vacío de 7 mca el caudal bombeado a 40 ºC es un 32% myor al que sería bombeado a 20 ºC.
7
TABLA 1. ºC
Kg/cm2
ºK
m3
t 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
p vapor 0,0062 0,0125 0,0238 0,0432 0,0752 0,1258 0,2039 0,3177 0,4828 0,7148 1,033
T 273 283 293 303 313 323 333 343 353 363 373
v aire 0,786 0,815 0,843 0,872 0,901 0,930 0,958 0,987 1,016 1,045 1,074
ºC
Kg/cm2
ºK
m3
t 0 10 20 30 40 50 60 70
p vapor 0,0062 0,0125 0,0238 0,0432 0,0752 0,1258 0,2039 0,3177
T 273 283 293 303 313 323 333 343
v aire 2,706 2,805 2,904 3,003 3,102 3,201 3,300 3,400
x 0,0039 0,0080 0,0154 0,0285 0,0513 0,0908 0,1616 0,2938 0,5890 1,5815
m3
m3
v vapor 0,005 0,010 0,021 0,039 0,073 0,134 0,245 0,459 0,947 2,614
v total 0,791 0,825 0,864 0,911 0,974 1,063 1,204 1,446 1,963 3,659
m3
m3
v vapor 0,057 0,122 0,250 0,504 1,036 2,308 6,991
v total 2,763 2,927 3,154 3,507 4,138 5,509 10,291
TABLA 2. x 0,0133 0,0274 0,0544 0,1061 0,2111 0,4557 1,3388
3 .- Medid as del v acío. 3.1 .- Nivel o p resió n d e vacío. El nivel de vacío se puede medir como presión absoluta (inferior a la presión atmosférica del lugar) en cualquiera de las unidades habituales: 2
Pascal = Newton/m 2 Bar = Mega dina/cm = 100000 Pascal Kg/cm2 mca = metros de columna de agua mm de mercurio pulgadas de mercurio Atmósfera psi = libras por pulgada cuadrada La tabla anexa muestra las equivalencias de las diferentes unidades.
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De
A Pascal
Pascal
Bar
Kg/cm2
lb/in2
mmHg
mca
Dina/cm2 Atmosfera
InHg
1
0,00001
1,0197E-05
0,000145 0,00749
0,000101
10 9,8715E-06 0,000295
100000
1
1,01972
14,5035 749,791
10,19716
1000000 0,98714734 29,51934
98065
0,98065
1
14,2229 735,286
9,999898
980655 0,96805098 28,94829
lb/in2
6894,8
0,06894
0,070308
1 51,6971
0,703081
68948,7 0,06806256 2,035321
mmHg
133,37 0,001333
0,001360
0,01934
1
0,0136
1333,70 0,00131656 0,039370
mca
9806,6
0,100001
1,42231 73,5294
1
98066,5 0,09680608 2,894859
1,0197E-06 1,4504E-05 0,00074
1,0197E-05
1 9,8715E-07 0,000030
Bar Kg/cm2
Dina/cm2 Atmosfera InHg
0,09806
0,1 0,000001 101302
1,01302
1,0330034
3387,60 0,033876
0,034544
14,6923 759,553 0,49132
25,4
10,32992 0,34544
1013020
1 29,90368
33876,0 0,03344069
La manera más habitual de medir el vacío en la industria papelera es como depresión, esto es, como diferencia de presión entre la presión atmosférica y la presión en el ambiente enrarecido, expresada en metros de columna de agua, milímetros de columna de mercurio o pulgadas de columna de mercurio: Vacío = Presión atmosférica – Presión en el vacío Medida de la presión de vacío
Medida del vacío (depresión). Otra forma de expresar el nivel de vacío es en forma de porcentaje: % Vacío = 100*(Presión atmosférica-Presión de vacío)/Presión atmosférica El porcentaje de vacío sería 0% para la presión atmosférica y 100% para el vacío absoluto.
9
1
3.2 .- Caudal de vacío. Se define como el volumen de gas que pasa por una determinada área en la unidad de tiempo (el área de un tubo, por ejemplo): Q=V/t Las unidades habituales en la industria pape lera para definir las bombas de vacío son: 3
3
m /min usado en los equipos europeos o el pie /min (cfm) usado por los americanos. La 3 equivalencia entre ellos es 1 m /min = 35,3 cfm. Hacemos notar que el caudal de vacío es una medida muy inadecuada, pues cambia con variaciones de presión y temperatura, de acuerdo con la ecuación de estado de los gases p1*v1/T1=p2*v2/T2 v1/v2=p2*T1/p1/T2 Q1/Q2=(p2/p1)*(T1/T2) Si aceptamos que el gas toma rápidamente la temperatura del tubo, equivalente a la temperatura del ambiente exterior, tendríamos: Q1/Q2=p2/p1 Caudal de masa .- Se mide en Kg de gas que pasan por una cierta área en la unidad de tiempo. Es una medida que se conserva, independiente de las variaciones de presión y temperatura, pero que no se usa en la práctica de la ingeniería.
3.3 .- Curv as característic as de un sis tema, En la mecánica de fluidos incompresibles se sabe que las pérdidas de carga en el escurrimiento son proporcionales al cuadrado del cau dal: 10
2
Δ p=K*Q
lo que da curvas características de un sistema, que son cóncavas por el lado superior, cuando se les dibuja en un diagrama Δ p, Q.
En el caso del vacío las curvas presentan concavidad hacia abajo, y son asintóticas con el vacío absoluto, debido a que, a pesar de que el caudal de masa sea constante, el caudal de volumen aumentará al aumentar el nivel de vacío, llegando a infinito para el vacío absoluto.
4 .- Bom bas d e vacío. Existen muchas variedades de bombas y otros equipos para producir vacío, entre los cuales podemos mencionar: • • • • •
Bombas de vacío de anillo líquido (Voith, Nash). Turbocompresor de vacío (Sulzer Turbair). Ventiladores. Bombas de vacío de pistón rotativo (Roots, Omel). Bombas de vacío de pistón (Worthington). 11
• •
Eyectores de vapor (Ametek, Korting). Otras bombas.
Entre todos estos equipos los únicos que tienen amplia aplicación en la industria de celulosa y papel son las bombas de anillo líquido, a pesar de que los turbocompresores y las bombas de pistón rotativo consumen mucho menos energía. Las bombas de pistón se aplicaron ocasionalmente en instalaciones de evaporación, para extracción de gases incondensables en la última etapa. Se usaron eyectores de vapor o de agua en condensadores de turbinas de vapor. Cuando hablamos de otras bombas, nos estamos refiriendo a una variedad muy grande de bombas especializadas en alto vacío, para aplicaciones en laboratorios o en industria de ampolletas o tubos de televisión. Los principios utilizados en las diferentes bombas de vacío son diferentes: •
•
•
Las bombas de anillo líquido, de pistón y de pistón rotativo son de desplazamiento positivo, de modo que para rotación constante el caudal es prácticamente constante, independiente del nivel de vacío. El turbocompresor imprime al fluido una velocidad muy alta, para después transformarla en presión. En el eyector, un fluido motriz a alta velocidad arrastra al fluido en el cual deseamos producir vacío, para posteriormente transformar la energía ciné tica en presión.
4.1 .- Bombas de vacío de anill o líqu ido . Son las bombas que más se utilizan para producir vacío en la industria de celulosa y papel, debido a su simplicidad y robustez. Fácilmente pueden producir vacíos de 8 mca. En Brasil las fabrican las firmas Voith y Nash. Construcción: Las bombas de vacío de anillo líquido consisten básicamente en: • •
•
Cuerpo de la bomba. Dos tapas laterales con conexiones de succión y de impulsión del fluido, conos que entran en el rotor y conectan las tuberías con él por medio de aberturas de comando. Rotor con varias cámaras, montaco excéntrico respecto del cuerpo, Eje que sale al exterior, montado sobre rodamientos de polines, autocompensadores.
Funcionamiento (Ver figura 4.1): Por la rotación del rotor (d), el agua de servicio forma un anillo (b) que gira en el lado interno del cuerpo. Debido a que el rotor está montado en forma excéntrica, entre la parte central del rotor y la superficie del líquido se forma un espacio en forma de luna nueva, que queda subdividido por las paletas (e) del rotor (d) en compartimentos transportadores
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aislados, parcialmente sin agua, que en el sentido de la rotación, primero aumentan, y después disminuyen de tamaño. El aumento de volumen de los compartimentos causa vacío (c) y con eso la entrada de aire que se aspira por la ranura de succión (a). Después de alcanzar el volumen máximo la forma del cuerpo obliga al agua a entrar en el compartimento, expulsando el gas al exterior a través de la ranura de salida. El gas en contacto con el agua se comprime y se expulsa isotérmicamente. Al mismo tiempo una cierta parte del agua de servicio es arrastrada por la corriente de gas, por lo cual hay que substituirla continuamente. El agua arrastrada lleva el calor de compresión y de roce, y puede eventualmente volver en parte a la bomba por el circuito de recuperación.
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Algunas características de estas bombas son: El caudal es prácticamente constante, independiente del nivel de vacío. • Tienen consumo de agua de sello, que entra al anillo líquido. • Toleran la pasada de agua por su interior, con aumento del consumo de potencia, • pero sin daños para el equipo. Un caudal de agua equivalente a tres veces el consumo del anillo es normal. La eficiencia es baja debido a que hay consumo de energía para accionar el anillo de • líquido (60% aproximadamente). La potencia consumida es más o menos constante, independiente del nivel de vacío. • Aumentando la rotación aumenta el caudal, pero el aumento de potencia es más que • proporcional, debido al anillo líquido.
4.2 .- Aplicación de los so pladores tipo Roots en los sistemas de vacío de las máquinas papeleras. El objetivo fundamental de este trabajo es el de proponer equipos para el sistema de vacío, que para muchos son desconocidos, o que no los han avaluado lo suficiente, y que, por los tiempos de crisis energéticas por que pasamos, merecen ser considerados por las ventajas que ofrecen. Antes de tratar las aplicaciones vamos a describir los conceptos básicos de los sopladores de pistones rotativos, o tipo ROOTS, cuya principal atracción hasido tradicionalmente su simplicidad, pequeño tamaño y bajo costo inicial de la máquina.
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El orígen de los Roots se remonta al siglo XVII. El proyecto germánico “Pappernheim” de ese período , era un tipo de bomba de engranaje con seis lóbulos por rotor. Extractores de gas con dos lóbulos por rotor y engranajes de operación externa fueron fabricados por George Jones de Birmingham en 1840. Pero fue el ingeniero americano Roots quien llegó a la versión definitiva a través de varios modelos en la Exposición de Paris en 1867. Eran muy utilizados como ventiladores de minas. Debido principalmente a su simplicidad inherente, las máquinas Roots luego fueron adoptadas ampliamente para aplicaciones en industrias generales que requerían movimientos de grandes volúmenes de gases. Con el desarrollo de otras versiones, que permitieron alcanzar altas velocidades y mayores diferencias de presión útil, los encontramos actualmente en aplicaciones altamente sofisticadas y de alta responsabilidad en la marina, industria automovilística, industria aeronáutica, etc… La configuración básica del Roots consiste en dos rotores iguales (llamados lóbulos) con dos o tres dientes, que giran con velocidad igual y en sentido contrario, sin contacto, montados sobre dos ejes paralelos, que por su vez se apoyan en cuatro descansos. El movimiento y el sincronismo de los dos rotores se consigue a través de un juego de engranajes auxiliares, montados en una extremidad de los ejes, externamente al cuerpo de la máquina, que operan en un baño de aceite. A través de su desarrollo se ha hecho mucho para mejorar el perfil de los lóbulos, para reducir las tolerancias, y se ha tratado de aumentar el volumen útil de la cámara no ocupada por ellos, aumentando considerablemente en esa forma la capacidad del soplador. El soplador Roots no tiene válvulas ni en la aspiración ni en la descarga: la separación de los ambientes de aspiración y descarga se hace por los propios rotores en la carcaza. Por lo tanto, cuanto menores sean las tolerancias, será mayor la estanqueidad y el rendimiento volumétrico. El funcionamiento del soplador se ilustra por la comparación de las tres posiciones de la Fig. 4.4 donde se sombrearon las áreas equivalentes al lado de la descarga. En la posición (a), en que el punto A del rotor pasó el punto M de la boca de entrada, el volumen V comprendido entre A y B se ha aislado del ducto de admisión y se ha llevado al lado derecho. A continuación el punto B pasa el punto N de la boca de salida, y el volumen V se agrega al ambiente de descarga.
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En el momen to en que el ambiente de descarga entra en contacto con el volumen V, comprendido entre los dos lóbulos,todavía a la presión P1 de la aspiración, se produce un reflujo de una parte delo gas comprimido, que aumenta la presión hasta P’2, tanto más cercano a P2 cuanto mayor sea el volumen del ambiente de descarga. La restante compresión de P’2 a P2 se produce por el movimiento de los lóbulos. El volumen V en este tipo de compresor tiene, por lo tanto, el significado de “embolada”. A cada rotación completa de un rotor se genera ese volumen 4 veces. De esta descripción se deduce que el diagrama p,v que representa el trabajo corresponde a un rectángulo.
Las fases del ciclo de trabajo del compresor Roots son:
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1ª Fase: A – B = Aspiración. 2ª Fase: B – C = Compresión. 3ª Fase: C – D = Descarga. El triángulo B C’ C represent el trabajo gastado de más en comparación con una compresión gradual como la que hay en un compresor de pistón alternativo. Se hace notar que el área de ese triángulo aumenta con el cuadrado de la diferencia de presión P2-P1, y en cambio el área delimitada por A B C’ D crece proporcionalmente menos que con la primera potencia, con lo cual se deduce que el rendimiento del compresor disminuye rápidamente al aumentar la relación entre la presión de salida y de entrada. Pero además la compresión y el trabajo que requiere dependen, en realidad, además de las circunstancias anteriormente consideradas, de la posibilidad de refrigeración de las paredes, y de las fugas (Slips), las cuales, por su carácter interno, tienen un reflejo térmico. En este tipo de compresor existen “fugas sistemáticas” que disminuyen el rendimiento volumétrico: por las tolerancias adoptadas, tienen como resultado una sección de fuga que es una característica geométrica de la máquina. La filtración que ocurre a través de esas rendijas obedece a la siguiente ecuación: Qv = a * F * raiz (2*g/γ*ΔH) en que Qv = Caudal de aire en m3/min a = Coeficiente de contracción, aproximadamente = 0,8 F = Area total de las rendijas del compresor. 2 g = Aceleración de gravedad = 9,81 m/s 3 γ = Peso específico del aire = 1,293 Kg/m . 2 ΔH = Diferencia de presión entre la entrada y la salida en Kg/m . Una vez que se conoce la superficie de las rendijas para cualquier dimensión del soplador, la pérdida (Slip) se determiná únicamente por la diferencia de presión y el peso específico del fluido, y es independiente de la rotación. Para una diferencia de presión de ΔH = 1000 mmca y un peso específico de γ = 1,293 3 Kg/m del fluido en las condiciones de aspiración, se sabe por cálculo y por experiencia para cada tipo de soplador el flujo de pérdida Qv(1000). Es fácil en esa forma determinar el flujo de pérdida para cualquier otro fluido con peso específico γ1 y presión ΔH1 por la siguiente ecuación: 3
Q = Qv(1000) * raiz ( 1,293 / γ1 * ΔH1 / 1000) m /min. Entonces el volumen realmente comprimido es igual a Qa = Q0 – Qv en que 3
Qa = Volumen efectivo en m /min. 3 Q0 = Volumen teórico del soplador en m /min 3 Qv = Volumen correspondiente a las fugás sistemáticas del soplador (Slip) en m /min. Por su vez el volumen teórico del soplador se rige por la siguiente fórmula:
17
3
Q0 = q0 * n / 1000 m /min. en que q0 = Volumen correspondiente al espacio no ocupado por el lóbulo, litros. n = Rotación del eje del soplador, rpm. La relación entre el caudal efectivo Qa y el teórico Q0 nos da la eficiencia volumétrica del soplador: ηv = Qa / Q0
Como las pérdidas son constantes para una determinada condición de operación, la eficiencia volumétrica en este tipo de máquina aumenta con la rotación. La potencia consumida para el movimiento del fluido aspirado Qa y para vencer la diferencia de presión ΔH la da la siguiente fórmula: Nth = Q0 * ΔH / 60 / 75 / ηmec CV en que Nth = potencia teórica consumida, CV. 3 Q0 = Caudal teórico del soplador, m /min. 2 ΔH = Diferencia de presión entre entrada y salida del soplador, Kg/m . ηmec = Eficiencia mecánica, valor entre 0,8 y 0,95. Observación: La eficiencia mecánica incluye también la pérdida por roce dinámico de los fluidos en las conexiones del soplador y la cámara, además del roce que producen los descansos y los engranajes auxiliares. Es de gran interés tratar también el aumento de temperatura que resulta de la compresión, pues es un factor que limita la operación de los sopladores Roots. Sin considerar la refrigeración de las paredes, que es muy pequeña, para calcular el aumento de temperatura del gas que pasa por el soplador, se puede proceder a igualar las energías de entrada y salida: Q0 * ΔH / 427 = Q * γ1 * Cp * Δtth Kcal/min en que: 3 Q0 = Caudal teórico del soplador m /min. ΔH = diferencia de presión, Kg/m2. 3 γ1 = peso específico del fluido, Kg/m . Cp = Calor específico del fluido a presión constante. Δtth = Aumento de temperatura del fluido comprimido, ºC. Qa = Caudal efectivo del soplador, m3/min. De donde se concluye que el aumento teórico de temperatura del fluido que pasa por el soplador será de: Δtth = ΔH / 427 / γ1 / Cp / ηv
ºC
Si hacemos un análisis del aspecto operacional del soplador Roots (ver figura 3, curvas características del soplador) , notaremos que, en función de la rotación y de la presión, el
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caudal se modifica en forma insignificante por efecto del aumento de presión, lo que se puede compensar con un leve aumento de la rotación. El gráfico muestra también los aumentos de temperatura al reducirse la rotación, debido a la reducción de la eficiencia volumétrica. Cuando la temperatura llega a los 100 ºC se les coloca a las laterales refrigeración con agua para proteger los descansos. La diferencia de temperatura tth de 100ºC se considera como límite operacional. El diagrama también muestra el aumento lineal de ola potencia consumida en función de la rotación y de la presión. El soplador Roots puede operar en régimen de presión o de vacío, dentro de los siguientes parámetros: • •
La presión puede llegar a 2 ATA en una etapa y a 3 ATA en dos etapas. El vacío puede llegar a 365 TORR en una etapa y 220 TORR en dos etapas. Pero hay sopladores más sofisticados que pueden superar las condiciones mencionadas. (1 TORR = 1 mmHg, 365 TORR = 5,2 mca, 220 TORR = 7,1 mca).
APLICACIÓN DE LOS SOPLADORES ROOTS EN MÁQUINAS PAPALERAS.. El principio de operación de los Roots en las máquinas papeleras consiste en separar el aire del agua, de manera que: •
•
El aire se extrae por el soplador Roots, especialmente proyectado para esta tarea, que opera como bomba de vacío. El agua se extrae por una bomba centrífuga auto cebante, apta para desempeñar esta función.
Las ventajas esenciales obtenidas por la aplicación de este principio y por el uso de esos equipos son las siguientes: 1 .- Economía de potencia consumida. Esa economía puede llegar, en ciertos casos, a 40 o 50% de la potencia consumida por otros equipos convencionales usados habitualmente, o por bombas de anillo líquido. Esa reducción de la potencia consumida se consigue usando bombas de vacío Roots, separando el agua del aire y usando bombas auto cebantes de extracción. Ejemplo de comparación: Caudal de aire: 52 m3/min Vacío: 0,4 Bar. Presión absoluta 0,6 Bar. Vacío 12” Hg. Potencia absorbida en el eje de la bomba: Bomba de anillo líquido. Bomba de vacío tipo Roots de una etapa
80 CV, tolerancia +/- 10% sobre el caudal y la potencia 55 CV Tolerancia +/- 5% sobre el caudal y la potencia.
2 .- Flexibilidad de funcionamiento. Es posible ajustar la capacidad de las bombas al caudal requerido por los puntos de succión, flexibilidad que abarca todo el sistema, posibilitando en esa forma obtener una potencia específica mínima. 19
Ls bombas de vacío Roots son volumétricas, y se deben calcular, desde el principìo, con una reserva de 25%. En caso de que el caudal solicitado por el fabricante de la máquina resulte insuficiente, con la simple substitución de una polea se podrá encontrar el punto ideal de funcionamien to. Con los sopladores Roots también se puede operar con una reducción de rotación de 50% sin que, por ese motivo ocurra algún inconveniente, y por ser una máquina de desplazamiento positivo tiene las siguientes ventajas: • •
El caudal es proporcional a la rotación. La potencia absorbida es proporcional a la rotación y a la diferencia de presión creada.
3 .- Una mejor calidad del producto. Debido esencialmente al principio de separación, el vacío es estable e independiente de la cantidad de agua extraida. 4 .- Seguridad. Partiendo del concepto de que una máquina papelera nunca debe parar, bajo ninguna hipótesis, las instalaciones se hacen para operar con bombas idénticas e intercambiables. Los conjuntos de dos etapas se accionan con un único motor, y en caso de parada de una de las bombas, es fácil continuar trabajando con una solamente, habiendo sólo una pequeña reducción del vacío. El motor único tiene potencia suficiente para operar eventualmente con un solo soplador. 5 .- Multiplicidad de soluciones. Manteniendo inalterado el concepto de selección de bombas de vacío idénticas e intercambiables para facilitar la mantención y aumentar la seguridad, es posible adoptar 4 soluciones básicas para el sistema de vacío de una máquina papelera. a .- Instalación con puntos de vacío separados. Siempre tratando de equipar el sistema con un número mínimo de topos de máquinas. A pesar de que esta solución presenta una gran ventaja bajo el punto de vista de flexibilidad de funcionamiento por la independencia total del vacío de cada punto, ella no es muy económica. Para los puntos de alto vacío con los sopladores Roots se hacen indispensables las dos etapas, y además, cada punto de vacío debe estar equipado con su propio separador. b .- Instalación con equipos separados para los puntos de vacío de la parte de tela y la parte de fieltro. Esta solución es muy interesante porque reduce al mínimo la regulación. El sistema está formado por dos circuitos independientes. La instalación clásica se hace por un conjunto de dos etapas para la parte de la tela con separación apropiada, y de otro conjunto de dos etapas que atiende las prensas, con su propio separador. En todos los casos se trata de cuatro bombas de vacío idénticas e intercambiables, cada una montada en conjunto de dos
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etapas. Se consigue con eso la seguridad absoluta de que la máquina no correrá riesgos en caso de parada de una de las bombas. c .- Central de vacío para todos los puntos de vacío de la máquina papelera. Esta solución se consigue por un conjunto de dos etapas, o eventualmente de tres etapas, aplicando siempre bombas idénticas intercambiables. En la mayor parte de los casos con esta solución, se hace necesario aplicar reguladores en las tuberías que atienden los puntos de vacío de las prensas, impidiendo así, en la partida de la máquina o en la cortadura de la hoja, que entre aire proveniente de las prensas que se encuentran sin papel sobre el fieltro, lo cual haría bajar el nivel de vacío en la central. A veces una instalación de tres etapas es más interesante por ser más económica que una de dos etapas. Cada solución hace parte de un estudio bien determinado. d .- Control de vacío para alto y bajo vacío. En este sistema todos los puntos de alto vacío se reunen y se atienden por un conjunto de dos etapas, y todos los puntos de bajo vacío se atienden por un conjunto de una etapa. También en este caso las bombas de vacío se eligen de manera que sean idénticas e intercambiables. 6 .- Montaje de la central de vacío en cualquier parte. Cumpliendo siempre con el principìo de separación del agua y aire, solamente los separadores deben estar instalados junto a los puntos de vacío. En cambio los sopladores Roots, que transportan sólo aire, se pueden instalar en lugares más apropiados, separados, si es necesario 100 m de los puntos de vacío. Es necesario considerar las pérdidas de carga en los tubos, que siempre son muy pequeñas. 7 .- Insensibilidad a entradas accidentales de agua. Con los sopladores de vacío Roots no hay problemas con entradas accidentales de agua, la cual pasa por ellos sin dañarlos. 8 .- Mantención prácticamente inexistente. Los trabajos de mantención se reducen gracias a: Separación de agua y aire, que suprime el desgaste de la máquina por abrasión y • erosión. Por el propio principio de funcionamiento del soplador Roots, cuyas partes internas • (rotores) giran sin contacto. 9 .- Consumo de agua insignificante. Los sopladores al vacío Roots representan una gran economía de consumo de agua. La 3 misma bomba de vacío de anillo líquido, con capacidad de 52 m /min considerada en el 3 ejemplo anterior, para un vacío de 12 “Hg necesita un mínimo de 10 m /hora de agua. El soplador Roots opera normalmente sin inyección de agua, hasta un vacío de 300 mmHg. Para vacíos más elevados es conveniente optar por grupos de dos o tres etapas, con una pequeña inyección de agua, con un caudás que podrá ser de 400 l/hora. La inyección de agua en los sopladores tiene por finalidad: Evacuar el calor debido a la compresión. • Aumentar el rendimiento volumétrico del soplador. • 21
* Conseguir una potencia específica mínima. EQUIPOS COMPLEMENTARIOS DE LOS SOPLADORES ROOTS.
SISTEMAS
DE
VACÍO
CON
a .- Separadores. Son tanques cilíndricos verticales que sirven para la separación del agua y aire proveniente de los puntos de vacío. El agua extraida del punto de vacío cae por gravedad al fondo del estanque. CONCLUSIÓN. Esperamos que los factores preponderantes que se analizan durante un proyecto de vacío, tales como: Flexibilidad. Eficiencia (en términos de potencia consumida en relación con el caudal aspirado). Seguridad y facilidad de operación. Costo de inversión de la instalación total. • • • •
se puedan encarar ahora con más optimismo, delante de la opción representada por los sopladores Roots, que tienen una mejor eficiencia, que se podrá traducir en un menor costo y mayor producción, lo que ciertamente es el objetivo de todo fabricante. 4.4 .- Turb oco mpr esor de vacío Turbair .
Se trata de un turbocompresor de cuatro etapas, capaz de proporcionar cuatro niveles de vacío diferentes. Fue proyectado con el objetivo específico de atender máquinas papeleras, y se puede construir con capacidades de hasta 1800 m3 por minuto, equivalente a 6 veces la capacidad de la bomba más grande de anillo líquido. En esta máquina el vacío se genera acelerando la masa de aire a gran velocidad, para después transformar la energía de velocidad en presión.. Las velocidades deben ser altas, de modo que la máquina opera con un alto número de rotaciones por minuto (+- 7000 rpm) Por ese motivo, se le debe accionar con una turbina de vapor, o con un motor eléctrico y caja de engranajes para aumentar la rotación. Se pueden cambiar el nivel de vacío y el caudal cambiando la velocidad de la máquina. Los noveles de vacío que produce están en las fajas de 2, 4, 6 y 8 mca en las cuatro entradas de succión que tiene. En la primera entrada se obtiene un vacío de aproximadamente 8 mca. El aire se comprime hasta 6 mca, con lo que su volumen disminuye y su temperatura aumenta. Antes de entrar en el rodete siguiente se mezcla con aire del sistema de 6 mca de vacío, reduciendo la temperatura. Al pasar por el segundo rodete el vacío va a 4 mca. Otra vez se reduce el volumen y aumenta la temperatura, y así el proceso se repite hasta llegar a la presión atmosférica. La tabla 4.1 muestra las temperaturas para un caso estudiado:
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Etapa 1ª 2ª 3ª 4ª
TABLA 4.1 Temperaturas ºC Entrada Mezcla 20 17 48 20 63 22 85
Salida 66 86 100 129
La humedad absoluta final del aire en este caso es de 0,035 Kg de agua por Kg de aire seco, de modo que es utilizable en la parte secadora de la máquina papelera. Una vez definidas las necesidades de vacío de la máquina papelera, se proyecta el turbocompresor, dándole a cada rodete el ancho necesario para comprimir los caudales de aire correspondientes. El turbocompresor no necesita agua de sello ni agua de refrigeración, ni puede premitir el paso de agua por su interior debido a su alta velocidad, por ese motivo, antes de llegar al turbocompresor el aire debe pasar por un sistema de separación de agua y aire, que garantice que por la máquina sólo pasará aire. La única agua que consume es la necesaria para refrigerar el aceite de lubricación de los descansos, que es una cantidad mínima, que sale con sólo un pequeño aumento de temperatura, de modo que se puede usar en otros servicios de la máquin, o se le puede enfriar en una torre de refrigeración y reutilizarla en el sistema de lubricación. La eficiencia del turbocompresor es muy alta. Supera 75% para compresores de varias etapas, y llega a 87% para compresores de una etapa. La curva característica (nivel de vacío en función del caudal de aire) es la que se muestra en la figura 4.14 en la cual se ve que para una variación de caudal de 60 a 120% del caudal nominal, el nivel de vacío varía entre 8 y 7,5 mca en la etapa de vacío más alto. Se trata, en consecuencia, de una máquina que produce un nivel de vacío prácticamente constante (por el contrario, las bombas de vacío de anillo líquido producen un caudal constante y un nivel de vacío variable). La potencia absorbida por la máquina aumenta con el caudal, conforme lo muestra la figura 4.17, de modo que es necesario colocar un sistema de protección contra sobrecargas, para los casos en que la máquina está sin papel. El dispositivo consiste en válvulas en el sistema de 8 mca que regulan el nivel de vacío en la tubería conectada al turbocompresor (cuando el nivel baja las válvulas cierran). El hecho de reducir la potencia cuando el caudal de vacío disminuye trae como consecuencia una reducción del consumo medio de la máquina, si se le compara con otros tipos de bombas.
4.4 .- Comparación entre los tres tip os d e bombas d e vacío. A pesar de que las bombas de pistón rotativo fueron muy populares alrededor de los años 1960, posteriormente se les abandonó debido a que eran sensibles al paso de mugres por su interior, debido a que las tolerancias entre los lóbulos y entre ellos y la carcaza son muy
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pequeñas. En la actualidad (2005) las bombas usadas en máquinas papeleras son casi exclusivamente las de anillo líquido o turbocompresores. La comparación entre ambos se hace considerando la inversión inicial, consumo de energía, consumo de agua, aprovechamiento del aire caliente, seguridad operacional, etc. Inversión inicial. De acuerdo con un estudio hecho por una cierta empresa papelera, los costos de los dos sistemas son prácticamente los mismos, según el siguiente cálculo:
Bombas Equipo auxiliar Tuberías Fundaciones Parte eléctrica Instrumentación Total
Bombas de anillo líquido US$ 396.000 99.000 267.000 351.000 444.000 8.000 1.565.000
Turbocompresor US$ 697.000 45.000 225.000 304.000 272.000 19.000 1.562.000
Espacio necesario. En el caso estudiado era substancialmente mayor para el turbocompresor: 4147 m3, comparado con 2240 m3 para las bombas de anillo líquido. Consumo de energía. Las potencias instaladas son: Turbocompresor 3200 Kw Bombas de anillo líquido 3700 Kw. La diferencia es de 14,5%. Según el fabricante del turbocompresor, la diferencia del consumo de energía está entre 25 y 35%, dependiendo de que las bombas de anillo líquido estén dimensionadas en forma exacta o no. Consumo de agua. Las bombas de anillo líquido consumen cantidades substanciales de agua, que pasa a mezclarse con el agua de proceso, creando en consecuencia gastos en inversiones en tratamiento de agua de proceso y en tratamiento de efluentes. El turbocompresor prácticamente no consume agua. Producción de aire caliente: El turbocompresor producºe aire caliente con temperatura y humedad adecuadas para usarlo en la parte secadora de la máquina papelera. Usando un intercambiador de calor también se le puede usar para calefaccionar el edificio. En esa forma se economiza combustible. Seguridad operacional: Los dos tipos de máquinas son robustos y prácticamente no presentan fallas. Pero si ocurre una falla en el turbocompresor, como se trata de una máquina única (o de pocas máquinas),
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la máquina papelera para. En el caso de bombas de anillo líquido, que son muchas, la carga se puede distribuir entre las bombas restantes, y la máq uina papelera sigue operando. Mantención: Las bombas de anillo líquido son equipos simples, que operan a baja velocidad, y que pueden ser mantenidos por personal sin calificación especial. El turbocompresor es una máquina sofisticada, que requiere para su mantención personal altamente calificado. Curva característica de operación: El turbocompresor da un nivel de vacío constante, independiente del caudal. Las bombas de anillo líquido dan un caudal constante, y el nivel de vacío varía según la resistencia del circuito de vacío en que está conectado. Todos los aspectos analizados varían de acuerdo con el lugar y con la época, y se deberán estudiar de nuevo en cada caso particular.
5 .- Distr ibuc ión del vacío. El vacío no es una utilidad , y en consecuencia, no se distribuye por la fábrica como el aire comprimido o la electricidad, o agua, sino que se aplica en forma individual en los equipos que lo utilizan. En el caso de la máquina papelera, que utiliza grandes cantidades de vacío en varios niveles diferentes, podemos hablar de un sistema de distribución de vacío (que en todo caso es individual para cada máquina papelera). El sistema de vacío será diferente según el tipo de bomba de vacío que se use.
5.1 .- Bombas de vacío de anill o líqu ido . De preferencia se conecta una bomba (o eventualmente media) con cada consumo individual. En aquellos consumos en que el aire está acompañado de grandes cantidades de agua hay que instalar ciclones separadores de agua con pierna barométrica, o en el caso de los puntos situados bajo el piso de operación de la máquina, con bomba auto cebante para extraer el agua. Todas las bombas se conectan en un manifold único, separado en secciones por medio de flanges ciegos, que se pueden retirar en caso de falla de una bomba, de modo que las restantes se hacen cargo del servicio. Las descargas de las bombas de vacío se llevan a un canal, en el cual se separan el agua y el aire. El agua, que proviene del anillo líquido, del proceso y de las empaquetaduras, va a un pozo de donde se bombea para reutilizarla en el proceso. El aire va a la atmosfera a través de una chimenea, que deberá o no tener silenciador de acuerdo con las exigencias del vecindario. Las cajas de vacío de la tela se conectan en paralelo, y deberán tener válvulas de control de vacío para aplicarlo en forma gradual.
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En la actualidad (2005) lo recomendado es tener separadores de vacío en todos los puntos, de modo que el agua del proceso no llega a las bombas, las cuales se alimentan con agua tratada para evitar la corrosión. El agua se recupera en el pozo del canal de vacío, se pasa por una torre de enfriamiento y se vuelve a usar en las bombas de vacío. Es necesario drenar una parte del agua, pues como en la torre hay evaporación, las sales se concentran. En el lado de vacío en vez de tener un solo manifold se tienen dos, uno de operación normal y otro de emergencia, además de tener una bomba de vacío de emergencia. En esta forma, aunque una de las bombas falle, el sistema atiende la máquina con el total de la capacidad necesaria. Además el consumo de agua se reduce a un mínimo y las bombas trabajan más eficientemente por contar con agua fría, todo esto a costa de una mayor inversión y mayor consumo de energía.
5.2 .- Bombas d e vacío d e pistón rotativo. Como son bombas de desplazamiento positivo, de preferencia se liga un punto de consumo a una bomba. Por el hecho de que la bomba tolera cantidades de agua muy limitadas en su interior, todos los consumos deberán pasar por separadores de agua y aire, con piernas barométricas o bombas auto cebantes para la extracción del agua. Aquellos consumos de niveles da vacío más altos estarán ligados a bombas de dos etapas (dos bombas en serie). La segunda bomba podrá también atender puntos de niveol de vacío más bajos. La descarga de las bombas se hace en un canal cerrado que sirve para separar el aire del agua de refrigeración. El aire va a la atmósfera pasando o no por un silenciador, y el agua se junta en un pozo y puede ser reaprovechada.
5.3 .- Turb oco mpr esor d e vacío. Como se trata de una sola máquina que atiende todos los servicios, los consumos se conectan en paralelo. Como la máquina no tolera agua, ni siquiera gotas, el aire tiene que pasar por cámaras de separación con dispositivos para eliminar las gotas. En cada cámara hay una bomba especial, autocebante, de eje vertical, que retira toda el agua sin necesidad de instrumentación, pudiendo conectar las descargas de todas las bombas en paralelo. Los consumos de nivel de vacío más alto están provistos de válvulas de control, operadas por el nivel de vacío en el turbocompresor, con el objetivo de evitar sobrecargas en el motor de la máquina. Las cajas de vacío de la tela tienen separadores de agua independientes, con regulación individual y piernas barométricas que van a un estanque de sello. Las cajas húmedas y la mesa de formación de la tela y las cajas de vacío de los fabrics (que hoy ya no se usan), no se atienden por el turbocompresor sino por ventiladores para sistemas de vacío de 0,5, 1,2 y 2 mca, instalados separadamente. La descarga del turbocompresor es aire seco a 130 ºC, que va a la entrada de aire de la parte seca de la máquina papelera para ser reutilizado. Nota sobre las bombas autocebantes de los sistemas de vacío:
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Históricamente, se comenzó a instlar bombas en los separadores de los fieltros inferiores, que no se podían atender con piernas barométricas, y se les colocó controladores de nivel. Las fallas eran muy frecuentes, pero como la cantidad de agua no era muy importante, las bombas continuaban trbajando y no se presentaban problemas mayores. Posteriormente la firma Nash comenzó a ofrecer conjuntos de separadores y bombas, con una bomba especial y conexión de agua a presión en los sellos, además de colocar válvula de retención, válvula manual de regulación y un pequeño sifón invertido en la cañería de impulsión. Este conjunto aparentemente daba buenos resultados, pero se necesitaba regular manualmente para evitar que la bomba chupara demasiado aire y se descebara. Posteriormente apareció en el comercio una bomba marca Eimco, que se coloca directamente en el estanque separador. No tiene cañería de succión, y tiene un orificio que permite la salida de cualquier cantidad de aire de vuelta al separador. Esta bomba parece ser la mejor solución hasta este momento para extraer agua de los separadores de vacío, especialmente si se les instala en forma parecida a las bombas suministradas por Nash. Otro punto en que se suelen presentar problemas es el pozo del canal de vacío. Las bombas autocebantes trabajan bien, pero es necesario colocar controlador de nivel, pues en caso contrario puede que las bombas trabajen cebándose y descebándose, si su capacidad es mucho mayor que la cantidad de agua afluente, y esto puede dañar las empaquetaduras y los rodamientos.
5.4 .- Tub erías de v acío. Se dimensionan para velocidades del aire entre 10 y 20 m/s. Las pérdidas de carga son insignificantes, pues lo normal es que sean muy cortas. Un problema que se debe considerar al proyectar tuberías de vacío, especialmente si son de acero inoxidable, es que la presión exterior es superior a la interna, en consecuencia el material está sometido a compresión, que puede llegr al pandeo y colapso del tubo. Para evitar que esto suceda hay que elegir un espesor adecuado del tubo, o colocar anillos de refuerzo.
5.5 .- Separadores de agua y aire. En el caso de turbocompresores de vacío es indispensable separar el agua antes de pasar por la bomba. En el caso de las bombas de anillo líquido también se recomienda separar el agua cuando su caudal es excesivo, como sucede en los siguientes servicios: • • •
Cajas húmedas. Cajas de succión de la tela. Cajas de vacío de los fieltros.
Las cajas de vacío están sometidas a presiones de vacío entre 1 y 4 mca, de modo que las piernas barométricas de los separadores deben tener por lo menos esa altura. En el caso de los sifones de los fieltros inferiores esa altura no está disponible, de modo que hay que instalar en los separadores bombas autocebantes con control de nivel, o bombas de los tipos mencionados anteriormente, que no necesitan instrumentación. Es necesario también colocar válvulas de seguridad de vacío en los manifold, para evitar que un vacío excesivo
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pueda chupar las piernas barométricas, lo cual puede hacer que las protecciones de los motores de las bombas operen por sobrecarga. En las hojas anexas mostramos separadores proyec tados por diversas empresas que fabrican equipos. Canal de descarga de las bombas de vacío. En cuanto a la operación, no existe impedimento para descargar el agua y el aire directamente a las canalets del lugar en que estén instaladas, pero hay una serie de motivos por los cuales es conveniente descargar a un canal de vacío cerrado y con chimenea a la atmósfera. Esos motivos son: •
•
•
Las bombas son extremadamente ruidosas, lo cual puede afectar los oidos del personal. El aire que sale es húmedo y caliente, y la humedad se condensa en tuberías y otros equipos dañándolos. Son especialmente sensibles los equipos eléctricos. La condensación provoca lluvia interna y daño a las estructuras metálicas y de concreto. El agua de descarga es contminada, pero aprovechable en el proceso, de modo que es conveniente separarla del aire y bombearla al estanque de agua recuperada.
El rebalse de agua del canal de vacío debe ser sellado con un sifón, de modo de garantizar que el aire sale solamente por la chimenea. El ruido que sale por la chimenea en general no presenta problemas, pero si el vecidnario fuera muy sensible habría que colocarle silenciador.
6 .- Aplicació n de vacío en las máqui nas papeleras. Los caudales y las presiones de vacío necesarias para las máquinas papeleras se pueden determinar con informaciones de cuatro fuentes diferentes: •
•
•
•
•
“Vacuum pump selection factors”, informción técnica publicada por la TAPPI desde 1963. “Vacuum Systems using Turbair Blowers in the Pulp and Paper Industry” de W. Kohler y F. Majer, publicado por la Sulzer en 1972 y 1978. “Instrucciones para el cálculo de instalaciones de vacío” de Voith. Esta publicación es de uso interno de la empresa Voith, de modo que para consultarla es necesario recurrir a esa empresa. Trbajo presentado por la empresa Voith en la conferencia sobre vacío en la fabricación de papel en Darmstadt el 22-03-1974. Estudios sobre necesidades de vacío en acondicionamiento de fieltros de la firma Albany.
La publicación de Tappi alerta que sus datos son solamente aproximados y sirven solamente para determinar si una cierta instalación está razonablemente dentro de las necesidades.
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La publicación de Sulzer hace un interesante análisis físico matemático del problema, pero prácticamente no incluye coeficientes que permitan definir los caudales de vacío. Hacemos notar que los caudales calculados con las diferentes fuentes de información difieren groseramente: Para los polines de succión hay una diferencia entre Tappi y Voith de 2 a 1. Para los sifones de la tela la diferencia es de 10 a 1. Y la instalación de vacío es una gran consumidora de energía, de modo que hay gran interés en dimensionarla en forma exacta. Da la impresión de que los factores de Tappi fueron propuestos por los fabricantes de bombas de vacío, y como consecuencia están muy exagerados. En general los factores se refieren a caudales por unidad de área de succión, lo que es equivalente a la velocidad con que el aire pasa por la zona de succión. Pero el tamaño de la zona de succión no es materia de este trabajo. Los factores que determinan el caudal de vacío son los siguientes: Tipo de papel fabricado (diarios, krft, liner, mantequilla, escribir, etc). • El gramaje (influye en la permeabilidad de la hoja). • El grado SRº de la pasta (influye en la permeabilidad de la hoja). • El tipo de fieltro usado. • La velocidad. • El grado de ensuciamiento y compactación de los fieltros. • El nivel de vacío. • En el caso de los polines de succión, el caudal tiene tres orígenes: La permeabilidad del conjunto hoja – fieltro. • Las filtraciones por los sellos entre la camisa y el sifón d el polín. • El aire en los hoyos de la camisa, que se debe expandir desde la presión atmosférica • hasta el nivel de vacío en el interior del polín, creando un caudal que es proporcional a la velocidad y que aumenta con el nivel de vacío. El procedimiento usado por una ciert empresa considera los siguientes pasos: 1. Determinar los consumos específicos para el tipo de papel deseado, gramaje y ºSR básicos. 2. Corregir para el gramaje deseado. 3. Corregir para los ºSR deseados. 4. Corregir para la velocidad deseada. 5. Corregir para el nivel de vacío deseado. 6. Calcular las áreas en que se aplica vacío. 7. Calcular los caudales de vacío. En anexo presentamos la tabla de cálculo de una máquina. En el trabajo presentado por la empresa Voith en la conferencia sobre vacío las aplicaciones se clasifican en tres categorías: Aquells en que la caja de vacío está cubierta por agua y pasta. • Los polines de succión cubiertos por una vestimenta y la hoja de papel. • Los acondicionadores de fieltro y fabric. •
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Zonas cubiertas por agua y pasta: Los caudales de aire en estas zonas son casi independientes del tipo de papel y de la velocidad de la máquina. Se usan los siguientes valores prácticos: Caudal específico m/min 0,8 2,5 3,5
Cajas húmedas de succión Cajas de succión Cajas de succión
Nivel de vacío Mca 1 2,5 a 3 3,5 a 4
El área que se debe copnsiderar es el total de la cubierta de la caja de succión, o sea, el ancho de la caja multiplicado por el ancho de la tela. Rollos de succión cubiertos por papel: El caudal de aire se define pro índices específicos qs, expresados como m/min (o 3 2 m /min/m que es lo mismo), considerados independientes de la velocidad, y relacionados con el tipo de papel, ºSR, gramaje y nivel de vacío. Los valores qs se deben corregir por velocidad y por los otros factores, si ellos son diferentes de los valores para los cuales se definió el vlor de qs. Las fórmulas de corrección son las siguientes: 1,865
(1) q = qs * (100 + 72,6 * (V / 1000) V = velocidad de la máquina m/min.
)
en que
Corrección por ºSR y gramaje: (2)
0,2815
FSG = (( 14 * G + 360 ) / (G – 10 )/ SR )^(0,2682 * G
)
Corrección por nivel de vacío: (3)
2
Fn = 0,0528 * v
en que
v = nivel de vacío mca. Ejemplo: Para un papel de 70 g/m2 y 30 ºSR a un nivel de vacío de 6,5 mca se da un valor de qs de 2 1,5. Calcular el valor de q para 800 m/min, 65 g/m ,32 ºSR y 7 mca de vacío: Corrección por velocidad: Aplicando la fórmula 819 resulta
q1 = 222 m/min
Corrección por ºSR y gramaje: 2
El valor de FSG para 70 g/m y 30 ºSR es 0,7697
30
2
El valor de FSG para 65 g/m y 32 ºSR es 0,7532. Luego q2 = 0,7531 0,7697 * 222 = 217 m/min Corrección por nivel de vacío: Para un nivel de vacío de 6,5 mca el factor Fv = 2,2308. Para un nivel de vacío de 7 mca el factor Fv = 2,5872. q3 = 2,5872/2,2308 * 217 = 217 m/min que es el valor que se deberá emplear en los cálculos subsecuentes. Las fórmulas permiten calcular una situación futura a partir de una situación actual conocida, como se ilustra en los ejemplos a continuación: Ejemplo: 3 Un polín de succión tela está conectado con una bomba de vacío de 65 m /min. y opera con un vacío de 5 mca. Deseamos aumentar el vacío a 6,5 mca. ¿Cuál deberá ser la capacidad de la bomba? Aplicaremos la fórmula 3. F1 = 1,32 F2 = 2,23 3 Q = 2,23 / 1,32 * 60 = 101,4 m /min Ejemplo: 3 Un polín de succión está operando con un caudal de 50 m /min a una velocidad de 500 m/min. Deseamos aumentar la velocidad de la máquina a 750 m/min. ¿Cuál será el caudal de vacío necesario? En este caso vamos a tomar un valor arbitrario de qs = 1 y vamos a calcular q paara las dos velocidades: Para 500 m/min resulta q500 = 120 Para 750 m/min resulta q750 = 142 3
El caudal buscado será Q = 142 / 120 * 50 = 59 m /min. Ejemplo: 2 3 Una máquina fabrica papel de 70 g/m y tiene un caudal en un cierto polín de 70 m /min. 2 ¿Cuál será el caudal para 60 g/m manteniendo las demás condiciones iguales? La pasta tiene 30 ºSR. Entrando en la fórmula 2: 2 El valor de F para 70 g/m es 0,769. 2 El valor de F para 60 g/m es 0,827. 31
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El nuevo caudal será: 0,827 / 0,769 * 70 = 75 m /min Ejemplo: Una máquina papelera fabrica papel con pasta de 30 ºSR, usando un caudal de aire de 65 3 m /min en una cierta aplicación. ¿Cuál será el caudal de aire con 40 ºSR? El gramaje es de 70 g/m2 . 2
El valor de F para 70 g/m y 30 ºSR es de 0,760. El valor de F para 70 g/m2 y 40 ºSR es de 0,596. 3
El nuevo caudal será: 0,596 / 0,769 * 65 = 50 m /min. Algunos índices específicos y niveles de vacío aparecen en la tabla anexa. Zonas cubiertas sólo por vestimentas. El caudal de vacío es función del tipo de vestimenta y de la velocidad de la máquina. Prensas lava – fieltro de succión. El nivel de vacío usado es de 4 mca, y el caudal está definido por: 1,755
q = 350 + 0,4 * V + 3,36 E-5 * V m/min V = Velocidad de la máquina m/min Cajas de vacío de tela fabric. El nivel de vacío usado es de 1,2 mca y el caudal está dado por: 1,755
q = 3200 + 0,1133 * V + 7,2 E-4 * V V = Velocidad de la máquina m/min
m/min
Cajas de succión de los fieltros: El nivel de vacío usado está entre 3,5 y 4 mca y el caudal está dado por las siguientes fórmulas: Para fieltros comunes: 1,95 q = 400 + 0,04 * V + 6,92 E-5 * V m/min Para fieltros modernos muy permeables: 1,7 q = 650 + 0,06 * V + 5,18 E-4 * V m/min Para fieltros tela 1,7 q = 700 + 0,06 * V + 5,18 E-4 * V m/min V = Velocidad de la máquina m/min En todos los casos el área que se debe considedrar, o sea el producto del ancho de la caja por el ancho de la hoja.
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Tipo de papel Gramaje g/m2 ºSR Rollo succión, Vacío Rollo succión, qs Prensa succión, vacío Prensa succión, qs
INDICES ESPECÍFICOS. Escribir e impresión Kraft 60 a 100 60 a 80 35 a 45 20 a 25 6 a 6,5 5 a 5,5 1,75 1,65 6,5 a 7 6,5 a 7 1,6 1,8
Cartón 130 a 450 25 a 50 6 a 6,5 1,5 6,5 a 7 1,5
Niveles de vacío y su aplicación. Los vacíos se clasifican en cuatro categorías diferentes: • • • •
Vacíos muy bajos Vacíos bajos Vacíos medios Vacíos altos
< 2 mca 2 a 3,5 mca. 3,5 a 6 mca > 6 mca
Niveles de vacío muy bajos, hasta 2 mca. Son niveles usados principalmente en las zonas de formación, como: •
•
Cajas húmedas, mesas de tela, zonas formadoras de polines cabezal de succión, o sea, zonas cubiertas por agua y pasta. Tubos de succión de fabrics.
Niveles de vacío bajos, entre 2 y 3,5 mca. Se aplican en: • • •
Cajas de succión de las telas (de 1 a 3 mca) Tubos soportadores de papel en máquinas cartoneras (de 3 a 3,5 mca). Zonas de retención (de 2 a 3 mca)
Vacíos medios, entre 3,5 y 6 mca. Se aplican en: • • • •
Rollos de succión, primera zona (de 4 a 5,5 mca). Prensas lavadoras (4,5 mca). Tubos de succión de fieltros (de 3,5 a 4,5 mca). Prensas de succión contra el cilindro yankee en máquinas Tissue (4,5 mca)
Las modernas prensas y las velocidades actuales de las máquinas exigen que los fieltros estén muy bien acondicionados. Los fieltros de lana, dada su poca resistencia al desgaste, no permiten vacíos de más de 2 a 2,5 mca, con valores específicos de aire del órden de 175 a 250 m/min. Con los fieltros agujados el nivel de vacío subió a entre 3 y 3,5 mca con valores específicos de 400 m/min.
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Hoy la especificación normal está entre 3,5 y 4,5 mca con valores específicos de 600 a 900 m/min. El acondicionamiento de fieltros toma hoy un gran caudal de vacío en sl sistema, que fácilmente puede llegar a 30% del total. Vacíos altos, mayores que 6 mca. Se aplican en: • • • •
Polín de succión tela, segunda zona (de 5,5 a 7 mca). Prensas de succión (de 6,5 a 7 mca). Prensas y fieltros tomadores en máquinas cartoneras (de 6,5 a 7 nca). Tubos y polines pick up (de 6,5 a 7 mca).
En estos niveles de vacío es muy importante que la tubería sea diseñada correctamente, manteniendo velocidades inferiores a 30 m/s. La pérdida de carga total no debe pasar de 0,3 mca desde el punto de aplicación a la bomba de vacío.
7 .- Prob lemas en el si stema de vacío. Los problemas en el sistema de vacío pueden estar relacionados con los siguientes aspectos: 1º .- Las condiciones actuales de trabajo de la máquina no corresponden con el sistema instalado. Será necesario recalcular el sistema, verificar si corresponde o no, y reformarlo si es necesario. 2º .- Filtraciones en las tuberías. Verificar si están perforadas y si los flanges están herméticos. Se puede hacer con la llama de una vela. 3º .- Filtraciones en los sellos de los polines de succión o de las cajas de vacío. Cubrir la caja de vacío del polín con un plástico grueso, poner en marcha la bomba de vacío, y verificar si el nivel de vacío corresponde con el de la curva de la bomba con caudal cero. 4º .- Problemas con la bomba de vacío. Después de verificar si el agua del anillo y de las empaquetaduras están correctas, verificar el nivel de vacío a caudal cero, cerrando válvulas, o colocando un flange en la boca de succión de la bomba y midiendo el nivel de vacío con un vacuómetro de mercurio u otro confiable. Para verificar si la curva caudal – nivel de vacío de la bomba corresponde con la curva del proveedor, seguir el método Nash, u otro, basados en el flujo de aire por orificios determinados, en función del nivel de vacío. Para esto se utiliza un conjunto de orificios montados como se indica en las figuras anexas, se hace una tabla con el número de orificios abiertos y el nivel de vacío correspondiente. El caudal de un orificio se calcula por medio de gráficos que aparecen en publicaciones de Nash. Se le debe corregir por temperatura, humedad, condiciones del agua del anillo y altura del lugar. Descripción detallada del método aparece en la publicación “Accurate Air Measurement by Nash Orifice Method”, de Harold E. Adams, The Nash Engineering Co., South Norwalk, Connecticut, USA 1937. 5º .- Los separadores de vacío se llenan de agua. Revisar las empaquetaduras de las bombas auto cebantes. Verificar la capacidad de las bombas, la instalación y la instrumentación.
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6º .- Exceso de agua en las bombas de vacío, caracterizado por aumento de corriente del motor, y eventual salida de servicio. Verificar si los separadores están trabajando correctamente. Verificar si la instalación es correcta (pueden faltar separadores. Verificar que los niveles de vacío no sean más altos que las piernas barométricas. 7º .- Problermas de operación. Se presentan cuando se conectan en paralelo diversos consumos de vacío de nivel de vacío diferente a una misma bomba de desplazamiento positivo, por ejemplo, polínes de succión y cajas de vacío de la tela. La expansión del nivel de 2 al nivel de 6 mca aumenta enormemente el volumen de aire, lo que hace que la capacidad de las bombas quede chica. También cuando se conectan varios sifones de fieltro en paralelo, con bomba de desplazamiento positivo, cuando se instala un fieltro nuevo (de alta permeabilidad) y queda junto con otro fieltro usado (de baja permeabilidad) el nivel de vacío baja, y el fieltro usado queda perjudicado. Es necesario cerrar parcialmente la válvula del fieltro nuevo. Este problema no ocurre con el Turbocompresor Turbair, que da un nivel de vacío constante, independiente del caudal. Una manera de evitar este problema es conectar una bomba de vacío (o media), en cada punto de consumo.
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