El caudal másico en las aplicaciones de baja presión
Por qué es importante el caudal másico en las aplicaciones de baja presión
1 de febrero de 2023
Este blog aborda la diferencia entre caudal másico y caudal volumétrico, ya que estas terminologías son importantes para diversas aplicaciones de baja presión, como la aireación en plantas de tratamiento de efluentes o la fermentación en el sector alimentario y farmacéutico.
El tema de este blog se limita al aire como medio.
Soplantes de aire de Atlas Copco
Flujo de volumen
El caudal volumétrico de un sistema es una medida del volumen de fluido que fluye por unidad de tiempo. Puede calcularse como el producto del área de la sección transversal del flujo y la velocidad media del flujo.
Este término indica predominantemente el caudal volumétrico de aire comprimido en pies cúbicos por minuto (cfm), metro cúbico por minuto (m3/min), metro cúbico por hora (m3/hr), etc., que son las unidades de caudal volumétrico comúnmente utilizadas.
El caudal volumétrico es importante cuando la aplicación final incluye:
- Accionamiento de un cilindro neumático
- Accionamiento de una electroválvula
- Accionamiento de una válvula de control
- El aire necesario para transportar un material en polvo, etc.
Ahora se preguntará: ¿por qué se especifican los caudales en NM3/Hr y SCFM?
Pues bien, para ello hay que comprender la naturaleza básica del aire, que es un gas, por lo que se comporta de forma diferente a distintas temperaturas y presiones.
Por lo tanto, cuando se habla de caudales de aire, es importante mencionarlo con la temperatura y la presión asociadas para mayor claridad.
NM3/Hr puede explicarse sencillamente como un metro cúbico por hora (m3/hr) en condiciones normales de temperatura y presión (brevemente denominadas condiciones NTP).
En condiciones NTP
- La temperatura es: 0 grados centígrados
- La presión es: 1,013 bar(a)
- HR: 0%
El SCFM puede explicarse sencillamente como pies cúbicos por minuto (cfm) en condiciones estándar de temperatura y presión (brevemente denominadas condiciones STD).
En condiciones STP
- Temperatura: 15,6 grados centígrados
- La presión es: 1 bar(a)
- HR: 0%
De ahí la importancia de elegir el compresor de aire adecuado que suministre el caudal requerido en todas las condiciones de temperatura.
Ejemplo
Tomemos el ejemplo de una fábrica de automóviles que requiere un caudal total de aire comprimido de 1000 NM3/Hr de aire libre suministrado (FAD). El compresor debe ser capaz de generar una presión de 6 bar(g). Este requisito se obtiene generalmente sumando el caudal de aire comprimido requerido por todos los equipos (cilindros, sovs, válvulas de control, pistolas de pintura, etc.).
Supongamos que la planta está situada en Pune (India), donde la temperatura ambiente oscila entre 10 y 40 grados y la presión ambiente en Pune es de 0,9465 bar(a). Ahora, utilizando la fórmula FAD, el caudal volumétrico pasa a ser de 1227 m3/h a una temperatura ambiente de 40 grados C o de 1109 m3/h a una temperatura ambiente de 10 grados C.
Por eso es esencial elegir el compresor adecuado con una capacidad máxima de FAD superior a 1227 M3/h para que la planta funcione sin problemas en verano. Durante el invierno, el compresor sobredimensionado no debe funcionar en descarga y desperdiciar energía.
De ahí que siempre sea mejor contar con un compresor de accionamiento de velocidad variable (VSD) (o) una combinación de compresor de velocidad fija y variable para hacer frente a estos retos. Las implicaciones pueden ser mayores cuando el caudal de aire requerido es mayor, por ejemplo 5000 NM3/Hr.
Consejo: Nuestros expertos en aire recomiendan calcular los caudales a distintas temperaturas y dimensionar en consecuencia el compresor óptimo o una combinación de compresores.
Caudal másico
El caudal másico de un sistema es una medida de la masa de fluido que pasa por unidad de tiempo. Puede calcularse como el producto de la densidad del fluido y el caudal volumétrico. La figura muestra cómo varía el caudal másico con la temperatura.
Considerando el aire como medio, el caudal másico para un caudal volumétrico de 1000 NM3/h a 20 grados C es de 1294 Kg/h, y para el mismo caudal volumétrico a 45 grados C, el caudal másico cambia a 1193 Kg/h. Esto significa que el número de moléculas de oxígeno disponibles por metro cúbico de aire es menor a temperaturas ambiente más altas.
Ahora, para conectar este ejemplo con dos aplicaciones críticas, se puede comprender la importancia del caudal másico.
- Necesidades de aire comprimido en el tanque de aireación de una ETP o STP (planta de tratamiento de efluentes o aguas residuales).
- Necesidades de aire comprimido dentro de un biorreactor en el proceso de fermentación.
En ambos casos, el número (o masa) de moléculas de oxígeno que entran en los tanques es crítico para el crecimiento de los microorganismos. Por lo tanto, el oxígeno disuelto (OD), que es un parámetro crítico, se mantiene al nivel requerido para un proceso eficaz.
El ejemplo anterior ilustra claramente el hecho de que, para aplicaciones como la fermentación y la aireación, no basta con mejorar el caudal volumétrico. También hay que tener en cuenta el caudal másico, especialmente cuando mantiene el oxígeno disuelto (OD).
Conclusión
La comprensión del caudal másico y el caudal volumétrico es fundamental para el diseño de compresores de aire o soplantes adecuados para diversas aplicaciones.
Como es sabido, la temperatura influye directamente en el caudal. Por lo tanto, los compresores de baja presión o las soplantes deben instalarse de tal manera que el aire frío entre directamente en la cámara de compresión, sin recoger el calor de cualquier otra parte del compresor de aire o soplante de aire para un trabajo eficiente y una alta productividad de la planta.