Revisión y comparación de los estándares actuales de rendimiento de los sopladores industriales

La industria de tratamiento de aguas residuales depende en gran medida de una fuente eficiente de aire libre de aceite y de baja presión para suministrar oxígeno para el proceso de digestión aeróbica de la materia orgánica.

Originalmente, este aire a baja presión se suministraba mediante sopladores de lóbulos rotativos de desplazamiento positivo. Sin embargo, debido a los altos volúmenes de aire requeridos para las aplicaciones de aireación, la industria de aguas residuales adoptó rápidamente la tecnología de sopladores dinámicos, en concreto, los sopladores centrífugos multietapa. Gracias a su éxito en la industria de aguas residuales, los sopladores dinámicos han alcanzado una amplia aceptación y uso en la industria en general.

La necesidad de una mayor eficiencia ha impulsado la innovación de nuevas tecnologías de sopladores, como los sopladores turbo de alta velocidad y los sopladores de tornillo de baja presión. Estas tecnologías han aumentado el rendimiento con el tiempo. Estas afirmaciones han despertado el interés tanto de los usuarios finales como de los ingenieros de especificaciones, y se ha generado un amplio debate sobre la comparación del rendimiento entre los sopladores dinámicos y los de desplazamiento positivo.

Se entiende que cuando un usuario especifica el rendimiento de un soplador, espera que el fabricante del mismo lo proporcione. Esto es especialmente cierto en la industria de aguas residuales, donde la aireación a baja presión representa un gasto operativo considerable para el proceso.

Por consiguiente, se necesita un método válido y fiable para comparar el rendimiento entre diferentes tecnologías de sopladores, de modo que las decisiones de compra y especificación se basen en hechos y datos. El reto de comparar el rendimiento entre diferentes tecnologías de sopladores, como los de desplazamiento dinámico y positivo, reside en que operan bajo diferentes principios de compresión. Esto complica los requisitos de prueba necesarios para lograr una comparación precisa del rendimiento y da pie a la elaboración de informes de rendimiento creativos.

La próxima generación de estándares de sopladores

Los estándares de rendimiento existentes para compresores dinámicos (PTC-10 e ISO 5389) y compresores de desplazamiento positivo (ISO 1217) se desarrollaron hace décadas.

Si bien estas normas han sufrido múltiples revisiones y modificaciones a lo largo de los años, la industria de aguas residuales ha estado pidiendo una nueva metodología de prueba de rendimiento de cable a aire que mida el verdadero rendimiento del paquete de compresores de aire de baja presión (sopladores) y permita comparaciones precisas de rendimiento entre distintas tecnologías de sopladores.

En respuesta a este desafío, el Instituto de Aire Comprimido y Gas (CAGI), la Organización Internacional de Normalización (ISO) y la Sociedad Estadounidense de Ingenieros Mecánicos (ASME) han desarrollado de forma independiente los siguientes tres estándares de rendimiento para sopladores de baja presión:

Consideremos el ejemplo de tres personas que viajan de Miami a Chicago: una en coche, otra en avión y otra en tren. Las tres llegarán al mismo destino, pero cada una con una experiencia diferente. De igual manera, si bien cada estándar de prueba, si se sigue correctamente, debería arrojar los mismos datos de rendimiento al aplicarlo al mismo soplador, cada estándar presenta matices que difieren en cuanto a la metodología de la prueba.

Este artículo aborda los límites que se establecen para determinar qué se incluye en el paquete del soplador, cómo se logra la similitud con cada estándar y la validación de datos que requiere cada estándar para generar una comparación equitativa entre dos sopladores independientemente de su tecnología.

Al final del artículo se proporciona un cuadro para comparar los puntos clave de los tres estándares de prueba.

ASME PTC 13 - 2018: Código de prueba de rendimiento de cable a aire para sistemas de sopladores

ASME es bien conocido tanto a nivel nacional como internacional por sus estándares de prueba.

Como su nombre indica, la norma se centra en sistemas o paquetes completos de sopladores y ofrece una métrica de rendimiento que representa la relación entre la potencia de entrada del paquete y el caudal de salida. Este concepto, conocido como "cable-aire", se diferencia de las normas de rendimiento anteriores, que se centraban principalmente en el rendimiento del elemento compresor y no en el rendimiento del paquete completo.

El objetivo de la norma es abordar las necesidades de máquinas completas, como turbosopladores de alta velocidad y sopladores de tornillo, que se diseñan, fabrican, venden y utilizan como paquetes completos, compuestos por la unidad de compresión del soplador, el motor de accionamiento, el variador de frecuencia (VFD) y los elementos del paquete. Como paquetes completos, la norma considera las máquinas como una caja que absorbe aire, lo conduce a una tubería de descarga y consume energía en el proceso.

Límites de rendimiento termodinámico y eléctrico

La norma establece el límite típico para un sistema de soplador, definiendo claramente qué elementos se consideran parte del sistema/paquete. Los límites del paquete se subdividen en un límite de rendimiento termodinámico y un límite de rendimiento eléctrico. El límite termodinámico se centra en la unidad compresora y sus controles, mientras que el límite eléctrico se centra en el motor de accionamiento y sus controles. Estos dos límites se han establecido para que el comprador y el proveedor puedan negociar los elementos que se incluirán en la prueba del paquete.

La intención es identificar todos los componentes relevantes necesarios para operar la máquina e incluirlos tanto en la prueba de la máquina como en los datos informados presentados en la oferta.

Dónde recoger las mediciones

El siguiente punto de interés e importancia es la configuración de la prueba. Para lograr un rendimiento óptimo de cable a aire, el banco de pruebas es fundamental para garantizar que se tenga en cuenta todo el sistema/paquete y todos los componentes afectados.

Los elementos que se incluirán en la prueba se han establecido según los límites de prueba, pero la ubicación de los dispositivos de medición es igualmente importante. El objetivo es registrar la presión y la temperatura de succión antes de que el aire alcance el límite del paquete, a diferencia de la medición de la presión y la temperatura del aire en la salida de la capa límite.

El flujo se mide aguas abajo del límite del paquete y la potencia se mide al entrar en él. En teoría, esto permite tener en cuenta todas las pérdidas de flujo interno y todos los consumidores de energía. Las presiones y temperaturas son necesarias para la conversión precisa de las condiciones de prueba a las condiciones garantizadas durante el proceso de validación de datos.

Cómo medir el flujo

Para el flujo, la medición en la descarga es importante, ya que no todo el aire que entra por la brida de succión del soplador o la entrada de la máquina llega al puerto de salida. Este flujo de aire puede perderse por deslizamiento interno o canalizarse para refrigeración u otras necesidades. La medición en la tubería de descarga es la forma más precisa de confirmar el flujo de aire suministrado a presión.

Mediciones de potencia

La medición de potencia es igualmente importante, ya que durante muchos años se suministró potencia del eje del soplador, la cual se utilizó para calcular teóricamente la potencia total de entrada del conjunto. Ahora que existen máquinas completas, la potencia real de entrada de la máquina se puede medir con un solo medidor de potencia. Todas las bombas, ventiladores u otros dispositivos auxiliares consumen energía, por lo que también deben tenerse en cuenta en la prueba.

Validación de datos y metodología

La última parte de la norma que se abordará es la validación de datos. La norma proporciona la metodología necesaria para cuantificar las propiedades termodinámicas de operación, los puntos de similitud y la validación de datos del rendimiento de la prueba según las condiciones garantizadas proyectadas.

Aquí también se establecen las métricas de comparación importantes. En el caso del PTC-13, estas pueden identificarse como:

• Relación de volumen
• Caudal volumétrico
• Cabezal isentrópico (rendimiento específico de cable a aire)
• Número de Mach
• Presión de descarga

Relación de volumenSe utiliza como punto de comparación entre la densidad del aire en las condiciones del sitio de prueba y la densidad del aire en las condiciones garantizadas. Todas las pruebas de rendimiento se realizan en un laboratorio que no duplica las condiciones del sitio, lo que podría afectar los resultados.

Caudal volumétricoSe calcula a partir del caudal de descarga medido, que se convierte en caudal de entrada en las condiciones del sitio de prueba para compararlo con el caudal de entrada garantizado en las condiciones del sitio.cabeza isentrópicaEs el núcleo de esta prueba. Esto establece la cantidad de trabajo termodinámico necesario para alcanzar el caudal y la presión solicitados. Para garantizar la similitud, las condiciones deben ser iguales en ambos sitios de prueba.

Número de Mach de la máquinaEs un punto de similitud para las máquinas dinámicas. Representa la velocidad de las moléculas de aire que salen de la punta del rotor. Esto se relaciona con la compresibilidad del fluido a diferentes densidades de aire, las cuales, a su vez, dependen de las condiciones del sitio de prueba y las condiciones garantizadas. Para establecer la similitud, estas deben mantenerse iguales entre la prueba y la garantía.

Estos son los elementos fundamentales del código de prueba PTC-13.

¿Por qué desarrollar estos estándares de pruebas de sopladores?

Como grandes usuarios de aire a baja presión, la industria de tratamiento de aguas residuales espera que los fabricantes de sopladores produzcan sopladores que brinden el rendimiento que el usuario especifica.

Se requieren normas de prueba de sopladores que permitan una comparación equitativa entre dos sopladores, ya sean máquinas de desplazamiento positivo o dinámicas. Las normas de prueba PTC 13, BL300 e ISO 22484 proporcionan metodologías de prueba de sopladores que permiten verificar que los fabricantes ofrecen el rendimiento que anuncian.

Este artículo ha identificado las diferencias entre estos estándares y ha descrito cómo estos estándares de prueba pretenden satisfacer la necesidad del mercado de un estándar de prueba simple, confiable y válido que permita la comparación precisa entre dos sopladores.

Si bien las normas en su mayoría llevan a cabo este esfuerzo de manera similar, la aplicación de las leyes de similitud y los criterios de aceptación varían.

PTC-13 ha estado activo en el mercado desde 2019. ANSI/BL300 se publicó como estándar nacional estadounidense en 2022 y está disponible a través deSitio web de CAGILa norma ISO 22484 se está finalizando y se espera que se publique en 2024.