Los secadores de aire comprimido son tipos especiales de sistemas de filtrado diseñados específicamente para eliminar el agua inherente al aire comprimido. La compresión del aire eleva su temperatura y concentra los contaminantes atmosféricos, principalmente el vapor de agua, lo que da como resultado un aire con una temperatura elevada y una humedad relativa del 100 %. A medida que el aire comprimido se enfría, el vapor de agua se condensa en los tanques, tuberías, mangueras y herramientas conectadas aguas abajo del compresor, lo que puede resultar perjudicial. Por lo tanto, se elimina el vapor de agua del aire comprimido para evitar que se produzca condensación y que la humedad interfiera en procesos industriales sensibles.
El exceso de líquido y agua condensada en la corriente de aire puede ser extremadamente dañino para los equipos, herramientas y procesos que dependen del aire comprimido. Por ejemplo, el agua puede
Por lo tanto, es deseable eliminar la humedad condensada de la corriente de aire para evitar daños a los equipos, herramientas neumáticas y procesos. [ cita requerida ]
Además de estos mecanismos de daño, en situaciones exteriores, el agua puede acumularse y luego congelarse, provocando fallos en los componentes, por ejemplo, los sistemas de frenos.
Existen varios tipos de secadores de aire comprimido. Estos secadores generalmente se dividen en dos categorías diferentes: primarios, que incluyen los de coalescencia, refrigeración y delicuescencia ; y secundarios, que incluyen los desecantes, absorción y membrana. Sus características de rendimiento se definen típicamente por el caudal en pies cúbicos estándar por minuto (SCFM) y el punto de rocío expresado como temperatura.
La contaminación del agua es un subproducto inherente de la compresión del aire atmosférico, ya que el aire atmosférico contiene una gran cantidad de agua que existe en forma gaseosa. [1] [2] Debido a este fenómeno, los sistemas de aire comprimido generalmente se benefician de la adición de un secador de aire comprimido ubicado en la salida del compresor de aire y/o en varias ubicaciones a lo largo del sistema de distribución. En la mayoría de los casos, la salida del compresor se procesa a través de un secador primario o secador de sistema. En los casos en que se requiere aire de mayor calidad, la salida del secador primario se procesa aún más a través de un secador secundario o secador de pulido.
Los filtros coalescentes no son filtros en realidad, sino que funcionan más como un elemento de consolidación. La idea detrás de estos dispositivos es que el aire comprimido se fuerza a través de huecos o porosidades dentro de un elemento que de otro modo sería sólido. Estos huecos o porosidades son microscópicos y lo suficientemente pequeños como para que el vapor de agua humedezca las superficies internas. El agua líquida que se forma durante el proceso de humectación se fuerza a través del medio y gotea hacia una trampa. El aire seco viaja hacia arriba y hacia afuera del puerto de descarga.
Existen dos tipos básicos de elementos coalescentes. El primer tipo utiliza un material fundido que está dominado por una red microscópica interna . El aire se ve obligado a fluir a través de la red, lo que, a su vez, permite que el vapor de agua humedezca las superficies internas. El segundo tipo se conoce generalmente como elemento de placas apiladas. En este caso, se apilan discos finos con espacios microscópicos entre ellos. El aire se ve obligado a fluir a través de los espacios, lo que, a su vez, permite que el vapor de agua humedezca las superficies internas.
En principio, un filtro coalescente es una forma ideal de separar el agua de la corriente de aire comprimido. En la práctica, no es así. Los elementos coalescentes son extremadamente sensibles a la contaminación por aceite y partículas y, por lo tanto, serían más adecuados como secadores de segunda etapa. Sin embargo, el rendimiento del punto de rocío de un filtro coalescente lo coloca en la categoría principal de secadores de aire comprimido. Para utilizar filtros coalescentes como secadores primarios, normalmente se instalan en pares. El primer filtro tiene un elemento con espacios más grandes que están diseñados para eliminar el aceite de la corriente. El segundo filtro utiliza un elemento más fino que está destinado a eliminar el vapor de agua. Debido a la sensibilidad de los elementos, los filtros coalescentes no son particularmente comunes. Un área en la que estos filtros han encontrado aceptación es en los compresores dentales. La forma en que se diseñan y utilizan los compresores dentales hace que un filtro coalescente de dos etapas sea una solución casi ideal para la contaminación del agua en estos sistemas.
Los secadores refrigerados son el tipo más común de secador de aire comprimido. Eliminan el agua de la corriente de aire enfriando el aire a aproximadamente 3 °C (38 °F) y condensando eficazmente la humedad en un entorno controlado. 3 °C (38 °F) es el límite inferior realista para un secador refrigerado porque una temperatura más baja conlleva el riesgo de congelar el agua separada. Por lo general, se especifican como secadores primarios y, por lo general, producen una calidad de aire que es adecuada para aproximadamente el 95 % de todas las aplicaciones de aire comprimido.
Los secadores refrigerados emplean dos intercambiadores de calor , uno para aire-aire y otro para aire-refrigeración. Sin embargo, también existe un único intercambiador de calor TRISAB que combina ambas funciones. Los compresores utilizados en este tipo de secadores suelen ser de tipo hermético y el gas más común utilizado es el R-134a y el R-410a para secadores de aire más pequeños de hasta 100 cfm. Los secadores más antiguos y de mayor tamaño aún utilizan refrigerantes R-22 y R-404a. El objetivo de tener dos intercambiadores de calor es que el aire saliente frío enfríe el aire entrante caliente y reduzca el tamaño del compresor necesario. Al mismo tiempo, el aumento de la temperatura del aire saliente evita la recondensación.
Algunos fabricantes producen "secadores cíclicos". Estos almacenan una masa fría que enfría el aire cuando el compresor está apagado. Cuando el compresor de refrigeración está en funcionamiento, la masa grande tarda mucho más en enfriarse, por lo que el compresor funciona más tiempo y permanece apagado durante más tiempo. Estas unidades funcionan con puntos de rocío más bajos, normalmente en el rango de 1,5 °C a 4,5 °C (35 °F a 40 °F). Cuando se seleccionan con el "filtro coalescente frío" opcional, estas unidades pueden suministrar aire comprimido con puntos de rocío más bajos. Los secadores no cíclicos utilizan una válvula de derivación de gas caliente para evitar que el secador se congele.
Algunos fabricantes producen "filtros coalescentes fríos" que se colocan dentro del secador de aire en el punto de temperatura del aire más baja (el punto en el que se ha producido la máxima condensación). [3] [4]
Los secadores refrigerados generalmente se fabrican de una de dos maneras diferentes: unidades basadas en freón y unidades basadas en Joule-Thomson .
Estas secadoras obtienen su refrigeración de un sistema de refrigeración de ciclo cerrado basado en uno de los tres refrigerantes comerciales: R-22, R-134a o R410a. El sistema de refrigeración que utilizan estas secadoras es similar a los sistemas de aire acondicionado domésticos y comerciales. El esquema que se muestra a la derecha ilustra una secadora de aire comprimido refrigerada típica basada en freón.
Los secadores de aire comprimido refrigerados a base de freón generalmente consisten en un intercambiador de calor que es similar a un enfriador posterior enfriado por agua. En lugar de usar agua como refrigerante, el CFC líquido llena la carcasa del intercambiador de calor. El CFC líquido se mantiene a una presión que le permite hervir a 3 °C (38 °F). Después de que el CFC hierve, el vapor se aspira a través de la línea de succión hacia un compresor, que comprime el CFC a una alta presión y alta temperatura. El CFC de alta presión/temperatura se enfría en el condensador y se relaja hasta su estado líquido. El líquido se reintroduce en el intercambiador de calor a través del dispositivo de medición y se forma un ciclo de refrigeración cerrado. Cuando el aire comprimido pasa a través del intercambiador de calor, se enfría a la temperatura de ebullición del CFC. A medida que el aire comprimido se enfría, pierde su capacidad de retener la humedad y el vapor de agua se condensa en el interior del tubo del intercambiador.
Las variantes de este diseño básico incluyen unidades equipadas con intercambiadores de calor, cuyo objetivo es mejorar la eficiencia. En estos casos, el aire comprimido enfriado se recalienta con el aire entrante.
Los vapores de aceite y agua en el aire comprimido deben haberse enfriado hasta su punto de rocío (convertirse en aerosoles) antes de que el filtro coalescente pueda funcionar de manera efectiva. [5] Los secadores de aire comprimido refrigerados suelen tener un contenido de aceite restante de 6 mg/m3. [6] Los secadores de aire comprimido refrigerados con filtros coalescentes fríos internos están clasificados para dejar el contenido de aceite restante tan bajo como 0,008 mg/m3, que es mucho menos que los filtros coalescente que están aguas abajo de los secadores de aire, porque el aire comprimido enfriado se recalienta con el aire entrante. Los secadores refrigerantes más grandes tienen un intercambiador de calor aire-aire entre el aire entrante cálido y el aire saliente frío. Las nieblas de aceite y agua enfriadas se fusionan mucho mejor en un filtro coalescente a temperaturas frías que en los vapores de aceite y agua más cálidos ubicados aguas abajo del intercambiador de calor aire-aire del secador de aire. [7]
Los filtros coalescentes recogen líquidos y aerosoles , no vapores; consulte la sección Coalescentes mecánicos en Coalescente . En la tabla anterior, la UBICACIÓN significa dónde se encuentra el filtro coalescente en relación con el secador de aire refrigerado. 1 mg/m3 es un peso de aceite en un volumen de aire y es aproximadamente igual a 0,83 ppm en peso. [11]
Los secadores de alta temperatura están equipados con un preenfriador adicional que elimina el exceso de calor a través de un sistema de aire forzado. Estas unidades están diseñadas para permitir que el aire comprimido excesivamente caliente se seque de manera eficaz. Las temperaturas del aire comprimido superiores a 38 °C (100 °F) son muy comunes en climas del sur, operaciones mineras, acerías, a bordo de barcos, etc. En áreas y aplicaciones que exigen operaciones a temperaturas ambiente elevadas, los secadores de alta temperatura son una necesidad.
Los secadores cíclicos (también conocidos como secadores de masa térmica) utilizan una masa térmica, normalmente un tanque de agua, para almacenar la energía producida por el sistema de refrigeración. La temperatura del agua controla el sistema de refrigeración a través de un termostato. El aire comprimido pasa a través de la masa térmica mediante un intercambiador de calor enfriado por agua. El valor de este tipo de configuración es que normalmente producen resultados de enfriamiento más consistentes.
Los secadores tipo JT son unidades que utilizan la corriente de aire comprimido como elemento de refrigeración. El aire comprimido a alta presión (150~175 PSI) se introduce en una válvula reductora de presión situada en la parte superior del secador. La salida de esta válvula (90–120 PSI) se dirige a una cámara de expansión rodeada de paredes porosas. A medida que el aire se expande a una presión menor, se enfría (según el efecto Joule-Thomson) y su capacidad para retener la humedad se reduce. La humedad se libera del aire en forma de niebla. El aire cargado de niebla pasa entonces a través de las paredes porosas de la cámara. Las microgotas de agua que forman la niebla humedecen el material poroso y se acumulan hasta formar gotas que pueden verse afectadas por la gravedad. A continuación, el agua cae en una trampa y el aire seco se desplaza hasta el puerto de descarga y sale por él. El inconveniente del secador JT es que sólo se puede utilizar con compresores de dos etapas. Esto se debe a que un compresor de dos etapas obtiene su eficiencia bombeando a una presión alta (150–175 PSI). Esta presión no es adecuada para el taller y debe reducirse a (90–120 PSI). El secador JT aprovecha esta caída de presión para eliminar la humedad de la corriente de aire comprimido a través de la refrigeración inherente basada en el efecto Joule-Thomson del aire en expansión. Aprovechar esta caída de presión permite que un secador JT produzca los mismos puntos de rocío relativos que producen los secadores a base de freón.
Los secadores delicuescentes suelen constar de un recipiente a presión lleno de un medio higroscópico que tiene una gran afinidad por el vapor de agua. En términos prácticos, estos secadores suelen ser un recipiente a presión grande lleno de cristales de sal.
Cuando el vapor de agua entra en contacto con la sal, se adhiere y disuelve el medio, o se delicuesce. A medida que el agua líquida se acumula en los cristales de sal, se forma salmuera, que se drena y se acumula en el fondo del recipiente. Periódicamente, se debe drenar la salmuera y, de manera similar, se debe rellenar el medio. Por lo general, los secadores delicuescentes producirán una supresión del punto de rocío de 10 °C a 14 °C (18 °F a 25 °F).
El lado positivo es que estos secadores son muy simples, no tienen partes móviles y no requieren energía eléctrica. Sin embargo, no funcionan bien con corrientes de aire a alta temperatura y/o en temperaturas ambiente altas. Son unidades desproporcionadamente grandes que están llenas de una sustancia corrosiva. Su tamaño y naturaleza corrosiva pueden presentar problemas con cualquier sistema que los utilice. Debido a esto, estos secadores generalmente se utilizan solo en aplicaciones especiales. Las aplicaciones comunes a menudo involucran sitios de trabajo remotos, peligrosos o móviles. Los secadores delicuescentes se utilizan para eliminar el vapor de agua del aire comprimido, el gas natural y los gases residuales, como el gas de vertedero y el gas de digestor .
El rendimiento de un secador delicuescente, medido por el punto de rocío de salida, depende en gran medida de la temperatura del aire o del gas que se procesa, y las temperaturas más frías dan como resultado un mejor rendimiento.
Los secadores desecantes, a veces denominados secadores de absorción, funcionan absorbiendo vapor de agua en un medio poroso con una alta afinidad por el agua. [12] [13] Estos tipos de secadores también se conocen como sistemas de absorción o captadores. Debido a que estos secadores captan y retienen el agua, son mínimamente efectivos como secador de primera etapa. Si se utiliza un desecante en esta función, el medio se satura rápidamente y se anula la eficacia del secador. Los secadores desecantes se aplican mejor en una segunda etapa o función de pulido. Por lo general, se utilizan después de un secador refrigerado o algún otro secador primario. Cuando se aplican como secador de segunda etapa, pueden producir de manera fácil y confiable puntos de rocío en el rango bajo cero.
Los secadores desecantes se suministran normalmente en dos modelos: unidades de “un solo recipiente” y de “torre gemela”. Las unidades de un solo recipiente tienen la apariencia externa de una carcasa de filtro. Sin embargo, están llenas de un medio granular que debe reemplazarse periódicamente. El medio se puede regenerar horneándolo a alta temperatura de acuerdo con las recomendaciones de los fabricantes. Los secadores desecantes de un solo recipiente se instalan normalmente en aplicaciones de punto de uso. Cuando se aplican como un secador de segunda etapa, pueden producir puntos de rocío en el rango bajo cero de manera fácil y confiable.
Una variante del secador desecante de un solo recipiente es el filtro de papel higiénico. Este tipo de filtros proporciona la misma función básica que un secador desecante, excepto que utilizan un rollo de papel higiénico común como medio de absorción. Cuando el papel higiénico se satura, se retira y se reemplaza por un rollo nuevo. La popularidad de estos filtros se basa principalmente en su bajo costo, conveniencia y eficacia. Sorprendentemente, este tipo de filtros son muy eficaces en los puntos de uso.
Los secadores desecantes regenerativos o de torres gemelas tienen dos tanques verticales llenos de un medio. El aire comprimido pasa a través de un recipiente a presión con dos "torres" llenas de un medio como alúmina activada, gel de sílice , tamiz molecular u otro material desecante . Este material desecante atrae el agua del aire comprimido a través de la adsorción. A medida que el agua se adhiere al desecante, el "lecho" desecante se satura. Cuando el medio en el primer tanque se satura, la corriente de aire se redirige automáticamente a través del segundo tanque. Luego, el primer tanque se calienta mientras una parte del aire seco, denominado aire de purga, se hace fluir de regreso a través del tanque y se ventila a la atmósfera. Este proceso seca o regenera el medio en el primer tanque y lo prepara para la siguiente redirección. Una de las desventajas más significativas de los secadores desecantes de torres gemelas es el uso del aire de purga. Normalmente, un secador desecante de doble torre utiliza entre el 15 y el 20% de su capacidad para regenerar el tanque opuesto, lo que hace que estos secadores sean ineficientes y costosos de operar.
La función del desecante es llevar el punto de rocío a presión del aire comprimido a un nivel en el que el agua ya no se condense, o eliminar la mayor cantidad posible de agua del aire comprimido. El punto de rocío estándar que espera un secador regenerativo es de -40 °C (-40 °F); esto significa que cuando el aire sale del secador hay tanta agua en el aire como si el aire se hubiera "enfriado" a -40 °C (-40 °F). El punto de rocío requerido depende de la aplicación y en algunas aplicaciones se requiere -70 °C (-94 °F). Muchos secadores más nuevos vienen equipados con un interruptor dependiente del rocío (DDS) que permite que el secador detecte el punto de rocío y acorte o alargue el ciclo de secado para cumplir con el punto de rocío requerido. A menudo, esto ahorrará cantidades significativas de energía, que es uno de los factores más importantes a la hora de determinar el sistema de aire comprimido adecuado.
La regeneración del recipiente desecante puede realizarse mediante tres métodos diferentes:
El secador de membrana se refiere a una membrana deshumidificadora que elimina el vapor de agua del aire comprimido. Los secadores de membrana funcionan según el principio de migración. El aire comprimido que se va a secar pasa por una membrana que tiene una gran afinidad por el vapor de agua. El vapor de agua se acumula en la membrana y migra hacia el lado opuesto o de baja presión. Un gas de cobertura seco fluye a través del lado de baja presión y absorbe el agua en la membrana. Después de absorber el agua, el gas de cobertura se descarga a la atmósfera. El gas de cobertura generalmente se toma de la salida del secador. La membrana suele ser una serie de pequeños tubos reunidos en un haz dentro de una carcasa exterior.
Algunos secadores no son porosos, lo que significa que solo dejan pasar el vapor de agua. El poder de secado de las membranas no porosas depende únicamente del caudal y la presión. El caudal de barrido está estrictamente controlado por un orificio y no depende de la temperatura. Las membranas porosas son membranas de nitrógeno modificadas y también dejan pasar el aire, por lo general modificando la composición del aire comprimido al reducir el contenido de oxígeno. El único mantenimiento necesario es cambiar el cartucho del prefiltro dos veces al año. El rendimiento de las membranas porosas depende de la temperatura, así como de la presión y el caudal de funcionamiento.
Los secadores de aire de membrana reducen el punto de rocío de entrada. La mayoría de los secadores tienen un punto de rocío de aire de desafío y una especificación de presión. Por lo tanto, si el punto de rocío de entrada es inferior al aire de desafío especificado, entonces el punto de rocío de salida es incluso inferior al especificado. Por ejemplo, un secador podría tener un punto de rocío de -40 °C (−40 °F) con un punto de rocío de desafío de 21 °C (70 °F) y 100 psig. Si el aire entrante tiene un punto de rocío de entrada de solo 0 °C (32 °F), el punto de rocío de salida será algo menor. La presión también juega un papel. Si la presión es superior a la especificación nominal, entonces el punto de rocío de salida se reducirá. Esta reducción del punto de rocío de salida se debe al mayor tiempo de residencia que el aire tiene dentro de la membrana. Usando la especificación anterior, una presión de funcionamiento de 120 psig producirá un punto de rocío de salida inferior al especificado. El alcance de la mejora depende de la naturaleza de la membrana y podría variar entre los fabricantes. Varios fabricantes tienen secadores de membrana disponibles comercialmente. [14]
Los secadores de aire de membrana están diseñados para funcionar de forma continua, las 24 horas del día, los 7 días de la semana. Los secadores de aire de membrana son silenciosos, fiables y no requieren electricidad para funcionar. Si se instalan y se utilizan correctamente, los secadores de membrana pueden producir puntos de rocío extremadamente bajos. Por este motivo, son muy comunes en laboratorios, instalaciones médicas y entornos de fabricación especializados en los que se requieren cantidades limitadas de aire comprimido de alta calidad. Por lo general, se instalan como secadores de punto de uso y proporcionan el mejor servicio cuando se utilizan en una segunda o tercera etapa. La naturaleza delicada del equipo y la forma en que se utiliza hace que, por lo general, no sean adecuados para aplicaciones más convencionales o industriales. Los secadores de aire de membrana se utilizan en componentes neumáticos, pintura en aerosol, purga de cámara láser, cojinetes de aire, husillos de aire, equipos médicos, pistolas de aire y frenos neumáticos para vehículos y trenes.