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La importancia de la medición del flujo direccional

La importancia de la medición del flujo direccional

El caudalímetro de aire comprimido VPFlowScope® está diseñado en torno a un principio de medición único. Esto le permite medir no sólo la magnitud del caudal, sino también la dirección. ¿Por qué es esto importante? En este artículo mostraremos dos ejemplos en los que la medición bidireccional del caudal juega un papel fundamental para llegar a las conclusiones correctas.

Introducción

El caudalímetro de aire comprimido VPFlowScope® está diseñado en torno a un principio de medición único. Esto le permite medir no sólo la magnitud del caudal sino también la dirección. ¿Por qué es esto importante? En este artículo, mostraremos dos ejemplos en los que la medición bidireccional del caudal desempeña un papel fundamental para llegar a las conclusiones correctas. En el primer ejemplo, describiremos el caso de una planta de fabricación de productos electrónicos, que tiene una gran red en anillo interconectada con dos salas de compresores, situadas en edificios diferentes. Las dos salas de compresores están separadas por unos 150 metros. En el segundo ejemplo, se describe el efecto de la medición del caudal aguas arriba de un depósito receptor local.

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Tecnología Thermabridge™

El primer sensor de flujo térmico del mundo fabricado en un chip de silicio (¡no de silicona!) fue inventado hace 40 años por uno de los fundadores de VPInstruments, Anton van Putten, en 1974. Su diseño único puede considerarse como el modelo de muchos sensores de flujo másico térmico, que se encuentran en aplicaciones industriales, de automoción y de calefacción y aire acondicionado. El sensor original Thermabridge™ combina la medición de la dirección del flujo con la detección del flujo másico térmico en un rango completo de 0...150 mn/seg. Esto le permite medir el caudal en complejas redes de anillos, donde cualquier otro caudalímetro ofrecería resultados de medición muy poco fiables. ¿Quién iba a pensar que su invento llegaría a ser tan importante para la medición precisa del aire comprimido?

Caso 1. Dos salas de compresores

En un gran fabricante de componentes electrónicos, se utiliza aire comprimido para todo el proceso de producción: máquinas de moldeo por inyección (manipulación y embalaje de productos), recogida y colocación de componentes, chapado y galvanizado de piezas metálicas. Se ha iniciado un programa de gestión energética para reducir el consumo total de energía de la planta. El aire comprimido era uno de los servicios que necesitaba atención. Los compresores de la fábrica eran bastante antiguos (> 10 años) y había margen de mejora, desde el punto de vista de la eficiencia. Para seleccionar el compresor adecuado, había que medir el perfil de demanda de la fábrica. Pero la empresa se dio cuenta de que la supervisión permanente es clave para el ahorro a largo plazo. Así que, en lugar de contratar a una empresa de auditoría para que realizara una auditoría temporal, seleccionaron a VPInstruments para implementar una solución de monitorización permanente. Que con el tiempo podría ampliarse a otros servicios públicos.

Los objetivos iniciales de la primera fase del proyecto eran:

  • Establecer un perfil de base
  • Seleccione un compresor de recambio (combinación) en función de este perfil
  • Identificar los residuos y reducir la demanda de aire de las áreas de producción

Durante la fase 1 del proyecto, instalamos cuatro caudalímetros para tener una idea clara de la demanda media. Pero al cabo de un par de meses, nos encontramos con una situación interesante en la que los caudalímetros de aire unidireccionales estándar proporcionaban resultados inútiles. En esta situación concreta, el reflujo hacia los depósitos receptores provocaba lecturas erróneas, lo que daba lugar a graves errores de medición.

Descripción del sistema

El siguiente dibujo muestra un esquema simplificado del sistema de aire comprimido. El sistema de aire comprimido consta de dos salas de compresores (A y B). Desde estas dos salas de compresores se suministra una red de aire comprimido en anillo. Las salas de compresores se controlan con un sistema de control basado en la presión.

En la sala de compresores B, se instalan dos caudalímetros en una red en anillo para medir el aire suministrado a la red por un compresor. Entre este compresor y la red, se instala un gran depósito receptor (5m3).

En la sala A se encontraban tres compresores de tornillo Atlas Copco (ZR3A, ZR3A, ZR145). Las máquinas se utilizaban para la carga base diaria. Cada compresor está equipado con un secador de tambor de calor de compresión. Entre las tuberías y los compresores se han instalado dos grandes receptores de 5m3 cada uno. Desde los receptores, dos tuberías separadas suministran aire a los procesos de producción.

Una de las tuberías está conectada a otro edificio donde se encuentra la sala de compresores B. La distancia entre las dos salas de compresores es de aproximadamente 500 pies.

¿Flujo inverso o no?

Después de examinar detenidamente la configuración de la sala de compresores B, llegamos a la conclusión de que tiene que haber un flujo inverso cuando el compresor está apagado. Las siguientes imágenes explican en detalle este efecto.

Compresor de la sala B apagado: comportamiento del depósito receptor

Durante las horas de descarga y desconexión, los dos caudalímetros unidireccionales mostraban un consumo, mientras que cabría esperar un caudal nulo. El gran depósito receptor es llenado por los otros compresores (de la sala A) cuando la demanda local de aire en la red de anillo es baja, y suministra aire a la red cuando la demanda local es alta. Se puede ver el

tanque receptor como un gran globo que interactúa con la red.

Compresor en la sala B en situación de "tráfico de fusión".

Cuando el compresor funciona con carga, el aire comprimido se introduce en la red en anillo. En el empalme en T, el flujo se fusiona con el "tráfico" existente en función de cómo esté equilibrado el consumo en la red en anillo. Si el consumo está bien equilibrado, puede ser perfectamente simétrico (50% a la izquierda, 50% a la derecha), pero cuando el consumo en un lado es mucho mayor, el flujo de aire se distribuirá de forma diferente. La demanda pulsante también puede cambiar la distribución del caudal durante un breve periodo de tiempo.

El aire procedente del compresor se fusiona con el aire que ya circulaba por la red de anillos. Esto puede dar lugar a una lectura alta o baja, dependiendo de la demanda real y de la dirección del flujo resultante.

Unidireccional frente a bidireccional

Un caudalímetro unidireccional no sabe de dónde procede el aire. Esto da lugar a grandes errores. Esto se aplica a la mayoría de los caudalímetros másicos térmicos basados en la dispersión térmica, la anemometría de temperatura constante, etc. Otros ejemplos de caudalímetros unidireccionales son los medidores de vórtice y los de turbina, cuando se leen a través de un transmisor de impulsos estándar (el contador real del medidor de turbina girará hacia atrás). Los Venturi también son unidireccionales. La señal de presión diferencial no cambiará a negativa cuando el flujo se invierta. Los contadores de orificio también pueden medir el flujo inverso, pero no son tan adecuados para el aire comprimido debido a su pérdida de presión permanente.

Al activar la función de detección bidireccional del VPFlowScope, el cambio de dirección del flujo se revela instantáneamente. Ahora el flujo inverso aparece en los gráficos como valores negativos. Veamos algunos datos reales: En los gráficos siguientes, ampliamos un período específico de las mediciones en la sala de compresores B. Los datos originales, procedentes de los caudalímetros bidireccionales, se han procesado para mostrar la diferencia entre el flujo bidireccional y el unidireccional.

Al final de este periodo, el efecto se puede ver muy claramente: El compresor se apaga En el gráfico de la izquierda, donde los dos caudalímetros bidireccionales se anulan mutuamente, el caudal resultante es casi nulo. En el gráfico de la derecha, el caudal no se anula, lo que da lugar a una señal de artefacto de casi 13 m3/minuto.

¿Unidireccional es suficiente?

Uno podría decir: ¿por qué no correlacionar esto con los datos de carga/descarga del compresor? Cuando el compresor está en estado de descarga o apagado, se sabe que el flujo es cero, por lo que se puede compensar. Creemos que ésta no es la mejor manera de resolver el problema del flujo inverso, ya que podría haber otras razones (reales) para el flujo inverso, que pasarían desapercibidas. Por ejemplo, una válvula antirretorno con fugas, una junta con fugas o una válvula de purga. En este caso concreto, encontramos una fuga en la junta del compresor. Esta fuga podría haber costado 1.314 euros al año y sólo se necesitaron 500 euros para arreglarla. Se encontró otra fuga en un secador. De nuevo, esta fuga se encuentra aguas arriba del caudalímetro, por lo que pasaría desapercibida cuando el caudalímetro es unidireccional. Ahorro: 2.102 euros al año. Arreglado por 100 euros sustituyendo una manguera.

Caso 2. Receptores descentralizados

En algunos casos, se utiliza un depósito receptor descentralizado para "rebajar" la carga máxima de la red. Por ejemplo, cuando una máquina tiene un perfil de consumo muy intermitente. Una pregunta que se hace a menudo: dónde colocar el caudalímetro, y qué nos mostrará el caudalímetro cuando la máquina se haya apagado. Esta parte del artículo se basa en una antigua auditoría realizada en una planta de procesamiento de patatas, en la que utilizamos un caudalímetro másico térmico estándar sin sensibilidad bidireccional. La imagen de abajo muestra la configuración.

Configuración de la prueba: El caudalímetro del punto de uso se instaló entre el depósito receptor y la red de distribución. ¿Por qué? Porque no había suficiente longitud recta aguas abajo de la válvula de cierre.

El auditor nos llamó al cabo de un par de días para comentar los resultados. El caudalímetro mostraba un consumo significativo mientras la máquina estaba aislada de la red. El depósito receptor estaba actuando simplemente como un buffer local para las máquinas situadas más abajo en la línea. Se llenaba y vaciaba al ritmo de su consumo, provocando lecturas significativas en el caudalímetro de masa térmica. En este caso, el problema se resolvió finalmente ignorando los datos durante el periodo en que la máquina estaba apagada. Pero en otros casos, puede que no haya forma de correlacionar las acciones o eventos locales con los datos. En esos casos, cuando se observan los datos de un dispositivo de medición de flujo unidireccional se pueden sacar conclusiones erróneas.

Otros problemas que puede descubrir con los sensores bidireccionales:

Los caudalímetros bidireccionales pueden revelar problemas importantes en muchos sistemas de aire comprimido. En este artículo describimos dos casos en los que los sensores bidireccionales son cruciales para sacar las conclusiones correctas.

Otros ejemplos en los que puede revelar problemas:

Fugas en las válvulas antirretorno justo después del compresor, o fugas en los desagües de condensado. El caudalímetro bidireccional le indicará cuándo ocurre.

  • Fugas en los desagües de la cisterna de aceite, o bajo el depósito húmedo
  • La válvula antirretorno no se cierra completamente
  • La válvula de soplado no se cierra completamente
  • Las oscilaciones en la red de tuberías se perciben como consumo en lugar de flujo casi nulo

Combinación de los resultados mediante canales virtuales

En el software central de monitorización de energía VPVision, mediante un canal virtual, se pueden combinar los datos de dos (o más) caudalímetros en una sola señal. El canal suma/resta todos los valores de medición, en función de su dirección de flujo. Los valores resultantes pueden utilizarse en gráficos e informes en tiempo real.

Conclusiones

- Para la medición de caudal en redes en anillo, los caudalímetros bidireccionales son la clave para obtener resultados correctos.
- Sólo los caudalímetros bidireccionales pueden proporcionar datos correctos cuando se instalan entre los depósitos receptores y la red de aire comprimido.
- Los caudalímetros unidireccionales mostrarán un flujo positivo cuando se produzca un flujo inverso, lo que puede llevar a conclusiones erróneas sobre el comportamiento del sistema.
- Con el moderno software de supervisión de la energía, los caudalímetros bidireccionales pueden combinarse en un canal virtual.

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