Fundamentos del aire comprimido

1. Fundamentos del aire comprimido

El aire comprimido, junto con la electricidad, es elmedio de transporte de energía más usado en laindustria y las artes. Pero mientras que aprendemosdesde muy chicos a usar electricidad y aparatoseléctricos, las posibilidades, ventajas y esenciales delaire comprimido son mucho menos comprendidos.

La comprensión del aire comprimido de la gente crecióparalelamente a su comprensión de otros campostécnicos. Su desarrollo solo aumento cuando se veíaque tenía ventajas sobre otras tecnologías. Pero elaire comprimido siempre se estaba usando y gentehábil siempre pensaba como ponerlo en usos mejores.

1.1.1 El origen del aire comprimido El primer compresor - el pulmón

Muchas aplicaciones técnicas se originaron desde losprimeros días de la humanidad. El primer uso del airecomprimido fue soplar las brasas para hacer fuego. Elaire usado para soplar era comprimido en lospulmones. En realidad, el pulmón podría ser llamadoun compresor natural. La capacidad y rendimiento deeste compresor es extremadamente impresionante. Elpulmón humano puede procesar 100 l/min o 6 m3 deaire por hora. Al hacerlo, genera una presión de 0,02 -0,08 bar. En condición saludable, la confiabilidad delcompresor humano es inigualable y no cuesta nada suservicio.

Mayor desarrollo del “pulmón“Sin embargo, el pulmón resultó ser totalmenteinadecuado cuando la gente empezó a fundir metalespuros tales como oro, cobre, estaño y plomo hacenmás de 5000 años. Y cuando empezó a hacer metalesde alto grado, como hierro desde el mineral, fueesencial tener más tecnología de aire comprimido. Serequería algo más potente que los para generartemperaturas de sobre 1000° C. Al principio usaronvientos fuertes en laderas y crestas de cerros. Mástarde los orfebres egipcios y sumerios hicieron uso deltubo de soplado. Este llevaba aire directamente a lasbrasas aumentando la temperatura decisivamente.Aún hoy en día, los joyeros de todo el mundo usanalgo similar. Sin embargo, esto sirve solo para fundirpequeñas cantidades de metal.

Fig. 1.1:El primer compresor - el pulmón

1

1.1 La historia del aire comprimido

Fundamentos del aire comprimido

El primer compresor mecánico - el fuelleEl primer compresor mecánico, el fuelle operado amano, fue desarrollado a mediados del tercer milenioantes de Cristo. El fuelle operado con el pie, muchomás poderoso, fue inventado alrededor del 1500 AC.Este progreso fue necesario cuando la aleación decobre y estaño para hacer bronce se desarrollo comoproceso estable de manufactura.Pintura en una tumba egipcia antigua muestra estedesarrollo. Fue el nacimiento del aire comprimidocomo lo con conocemos hoy.

Fig. 1.2:Imagen del fuelle operado con el pie en elantiguo Egipto

1.1.2 Las primeras aplicaciones Organo Hidráulico del aire comprimido Almacenamiento y supresión de pulsaciones Reconociendo las propiedades del aire comprimido La primera explotación deliberada de la energía del aire

se atribuye al griego ( entre el 285 a 222 AC ). Elconstruyó in órgano hidráulico y usó aire comprimidopara el almacenamiento y reducción de vibración.

CatapultaAlmacenamiento de energía

Para esta catapulta, Ktesibios usó otra propiedad delaire comprimido, energía almacenada. Con la ayudadel aire comprimido en un cilindro, la catapulta griegageneraba suficiente tensión para lanzar misiles.

2

Fig. 1.3:La catapulta de Ktesibios

Puertas de TemploExpansión y obtención de trabajo

Heron, un ingeniero que vivió en Alejandría en elprimer siglo AC, encontró una manera de abrir laspuertas de un templo automáticamente al mantenerencendida permanentemente la llama del altar dentrodel edificio. El secreto era el uso de la expansión delaire caliente para forzar aguaDesde un recipiente a otro. Heron reconoció que era

Fig.1.4:

Puertas del templo de Heron

posible obtener trabajo al cambiar la condición delaire.

Fundamentos del aire comprimido

La Ley de PascalAumentando la energía

Fue solo en el sigo 17 que una serie de estudiososcomenzaron a estudiar la leyes físicas aplicable al airecomprimido. En 1663 Blaise Pascal publicó un artículosobre el incremento de energía usando líquidos( hidráulica ), que era también válida para la tecnologíadel aire comprimido. El encontró que la energíaaplicada por un hombre en un extremo de un recipiente cerrado con agua era equivalente a la de 100 hombresen el otro extremo del recipiente.

Transportando objetos por tuberíasTransporte neumático

Partiendo desde donde quedó Heron, el físico FrancésDenis Papin describió en 1667, un método detransportar objetos por tuberías. El explotó la pequeñadiferencia de presión dentro de un tubo. Al hacerlo,encontró que un objeto generaba energía dentro deltubo. Esto reconocía la ventaja de las grandesvelocidades de trabajo al usar aire.Papin puso las bases para el transporte neumático.

Fig. 1.5 :Aire Comprimido paraaumentar energía

Fig. 1.6 :Aire Comprimido como mediode transporte

Frenos neumáticosTransmisión de Potencia

Ya alrededor del año 1810, los trenes tenían airecomprimido. En 1869 Westinghouse introdujo losfrenos neumáticos. Su freno de motor siguió tres añosdespués. En este sistema, los frenos se aplicaban porsobre-presión, o sea se logra el efecto total si hay unacaída de presión como cuando se rompe unamanguera.Este fue el primer sistema de falla segura. Lossistemas de freno basados en este principio todavíaestán en uso hoy día.

Fig. 1.7 :Frenos neumáticos en untren en 1870

3

Fundamentos del aire comprimidoCorreo neumáticoTransporte por aire comprimido

La idea del transporte con aire comprimido no fueolvidada. En 1863, Latimer Clark junto con uningeniero llamado Rammel construyeron en Londresun sistema neumático de transporte. Este teníapequeños carros moviéndose completamente dentrode tubos transportadores y fue diseñado paratransportar bolsas postales y encomiendas.Este sistema era mucho más flexible que los pesadosferrocarriles de 1810 y llevó a la introducción delcorreo neumático. Redes de correo neumáticas prontoaparecieron en Berlín, New York y París. <la red deParís llego a su largo máximo de 437 km en 1934. Aúnhoy, se usan estos sistemas en grandes operacionesindustriales.

Herramientas neumáticasTransportando energía

Cuando se estaba construyendo el túnel a través deMont Cenis en 1857, la nueva tecnología fue usada enun martillo neumático de perforación para cortar laroca. Desde 1861 ellos usaron perforadoras depercusión neumáticamente accionadas, que podíanser provistas de aire comprimido desde compresoresen ambos extremos del túnel. En ambos casos el airecomprimido fue transportado por largas distancias.Cuando en 1871 se abrió el túnel, había más de 7000m de tubería en ambos lados. Así, por primera vez, sedemostró la transportabilidad de energía y fueconocida por un vasto público como una de lasventajas del aire comprimido. Desde entonces se

Fig. 1.8 :Perforadoras neumáticas en túnel

desarrollaron mejores y más versátiles herramientasneumáticas.

Redes neumáticasGeneración central de aire comprimido y transmisiónde señalLa experiencia ganada usando redes de líneas neumáticasy el desarrollo de compresores más potentes llevó a lainstalación de redes neumáticas en las alcantarillas deParís. Fue puesta en marcha en 1888 con una central decompresores de 1500 kW. En 1891 su capacidad habíaalcanzado 18.000 kW. El total éxito de la red pública fuesubrayado por la invención de un reloj cuyo minutero eramovido cada 60 segundos por un impulso desde la casa decompresores. La gente había visto la posibilidad de no solotransportar energía, sino también de mover señales por

Fig. 1.9 :Estación de aire comprimido deParís 1888

grandes distancias a través de una red neumática. La redneumática de París es única hasta hoy y aún está en uso.

4

Fundamentos del aire comprimido

Proceso de señalesAire comprimido para la transmisión y proceso de señales

En 1950 en USA, se usó por primera vez la altavelocidad de flujo del aire comprimido para latransmisión y proceso de señales. La neumática debaja presión, también conocida como fluídica oneumónica (lógica neumática), permite la integraciónde funciones lógicas de conmutación en la forma deelementos fluídicos en un área muy pequeña apresiones de 1,001 a 1,1 bar. La alta precisiónoperacional de los elementos lógicos de fluídica bajocondiciones extremas permitió que sean usadas en elespacio y programas de defensa de USA y de la URS.Su inmunidad a la radiación electromagnéticaproveniente de la explosión de armas nucleares da a

Fig. 1.10 :Aparato de adición de cuatro etapaselementos de radiación de pared

la fluídica una ventaja especial en varia áreassensitivas. Aún así, al correr el tiempo, la fluídica hasido reemplazada en gran parte por la tecnologíaeléctrica y microelectrónica en los campos de procesode señales e información.

5

Fundamentos del aire comprimido

1.2 Unidades y símbolos para fórmula Las unidades SI ( Système International d'Unités )fueron acordadas en 14ava Conferencia General dePesos y Medidas. Estas han estado en uso generaldesde el 16.10.1971.

Las unidades básicas se definen como unidadesindependientes de medida y conforman la base delsistema SI.

Unidad básica Símbolo fórmula Símbolo NombreLongitud

Masa

Tiempo

Corriente

Temperatura

Luz

Cant. substancia

l

m

t

I

T

I

n

[m]

[ kg ]

[ s ]

[ A ]

[ K ]

[ cd ]

[ mol ]

Metro

Kilogramo

Segundo

Amperio

Kelvin

Candela

Mol

1.2.2 Unidades de aire comprimido La ingeniería usa medidas derivadas de las unidadesbásicas. La tabla siguiente muestra las unidades paramedir aire comprimido más frecuentemente usadas.

Unidad Símbolo Fórmula Símbolo NombreFuerzaPresión

AreaVolumen

VelocidadMasa

DensidadTemperatura

TrabajoEnergíaTensión

Frecuencia

FP

AV

vm

ρTWPUf

[ N ][ Pa ][ bar ][ m2 ][ m3 ]

[ l ][ m / s ]

[ kg ][ t ]

[ kg /m3 ][ °C ][ J ][ W ][ V ]

[ Hz ]

NewtonPascal

Bar 1bar = 100000PaMetro cuadrado

Metro cúbicoLitro 1m3 = 1000l

Metro por SegundoKilogramo

Tonelada 1t = 1000kg

Kilo por metro cúbicoGrados Celsius

JouleWattVolt

Hertz

6

Fundamentos del aire comprimido

1.3 ¿Qué es el aire comprimido?

1.3.1 La composición del aire El aire en nuestro medio, la atmósfera consiste de:

78 % Nitrógeno21 % Oxigeno1 % otros gases( como Dióxido de Carbono y Argón )

1.3.2 Las propiedades

1.3.3 ¿Cómo se comaire comprim

O

NITROGENO

S

O

OXIGENOXIGEN

del aire comprimido Aire

El aicaló

El ai( enacumtraba( des

porta el Comido? Las

mole(voluparela temoléVoluTemPresBoylgaseencoEl prop( Ley

Fig. 1.11:

comprimido es aire atmosférico comprimido.

Aire comprimido

re comprimido es transportador de energíarica.

re comprimido puede: Alcanzar ciertas distancias tuberías ), ser almacenado ( en estanquesuladores de aire comprimido ) y desarrollarjocompresión ).

Fig. 1.12:

OTROS GASE

Energía de

o todos los gases, el aire consiste de moléculas.moléculas se mantienen unidas por la fuerzacular. Si el aire se encierra en un estanquemen constante), las moléculas rebotan de lasdes y generan presión p. Mientras más alta seamperatura, mayor será el movimiento de lasculas del aire y mayor la presión que generarán.men ( V ) = constanteperatura ( T ) = es incrementadaión ( p ) = subee y Mariotte experimentaron con volúmenes des encerrados, independientemente uno del otro yntraron la siguiente interrelación:volumen de un gas es inversamenteorcional a la presión. de Boyle y Mariotte )

7

Fundamentos del aire comprimido

1.4 Fundamentos físicos La condición del aire comprimido es determinada porlas 3 medidas de estado térmico:

T = Temperatura

V = Volumen

p = Presión

Esto significa que:Volumen constante ( isocórica )Presión y temperatura variableCuando la temperatura es incrementada y el volumenpermanece constante, la presión sube.

prco

8

CONSTANTE

volumen constantecompresión isocórica

Temperatura constante ( isotérmica )Presión y volumen variableCuando el volumen es reducido y la temperaturapermanece constante, la presión sube.

constante

temperatura constantecompresión isotérmica

esión compresió

Calor

Calo

Presión constante ( isobárica )Volumen y temperatura variableCuando la temperatura es incrementada y la presiónpermanece constante, el volumen aumenta.

nstanten isobárica

Fundamentos del aire comprimido

1.4.1 Temperatura La temperatura indica el calor de un cuerpo y se lee en°C en termómetros o convertida a Kelvin ( K ).

Fig.1.14:Mostrando temperatura

1.4.2 Volumen Volumen V [ l, m3 ]Aire comprimido en estado expandido, aire libreEl volumen se determina, por ejemplo, por el tamañode un cilindro. Se mide en l o en m3 y relativo a 20 ° Cy 1 bar.Los números en nuestra documentación siempre serefieren a aire comprimido en su estado expandido.

Volumen (V)

VCyl = Volumen [m3]d = Diámetro [m]h = Altura [m]

Volumen Normal VNorm [ Nl, Nm3 ]Aire comprimido en estado expandido a condiciones normales

El volumen normal se refiere al estado físico normalcomo especificado en DIN 1343. Es 8% menor que elvolumen a 20° C.

760 Torr = 1,01325 barabs = 101 325 Pa273,15 K = 0 °C

Volumen Norm + 8% = Volumen

0°C 2 0°C

Volumen operacional Voperat [ Bl, Bm3 ]Aire comprimido en estado comprimido

El volumen en estado operacional se refiere a lacondición actual. Deben tomarse en cuenta comopuntos de referencia la temperatura, presión del aire yla humedad del aire.

Se debe dar siempre la presión al especificar elvolumen operacional, Ej., 1 m3 a 7 bar significa que 1

0 barabs 8 barabs m3 expandido a 7 bar = 8 bar abs. Y solo ocupará 1/8del volumen original.

9

Fundamentos del aire comprimido

1.4.3 Presión Presión atmosférica pamb [ bar ]La presión atmosférica es causada por el peso del aireque nos rodea. Es independiente de la densidad yaltura de la atmósfera.A nivel del mar, 1 013 mbar = 1,01325 bar

= 760 mm/Hg [ Torr ] = 101 325 Pa

Bajo condiciones constantes la presión atmosféricadisminuye mientras más alta sea la ubicación.

Fig.1.15:Presión atmosférica

Presión manométrica Pop [ barop ]Es la presión sobre la presión atmosférica. Entecnología de aire comprimido, usualmente seespecifica como presión manométrica en bar sin elíndice „op“.

Presión absoluta [ bar ]La presión absoluta pabs es la suma de la presiónatmosférica pamb y la presión manométrica pop.

De acuerdo al Sistema SI la presión se da en Pascal[ Pa ]. En la practica, sin embargo, todavía se usamayormente darla en “ bar “. La antigua medida atm( 1 atm = 0,981 bar-op ) ya no se usa.

1 Pascal

1 bar = 1Fig.1.16:

Ilustración de diferentes presiones

pamb = Presión atmosféricapop = Presión manométricapvac = Vacío parcialpabs = Presión absoluta

10

Presión

pabs

pop

pamb

pvac

Fuerza

1 Newton 1 N = ———— 1 Pa = —— 1 m2 1 m20195 mmCA [ mm columna de agua ]

Area

Fundamentos del aire comprimido

1.4.3 Caudal volumétrico Caudal volumétrico V [ l/min, m³/min., m³/h ]El caudal volumétrico describe el volumen ( l o m³ ) porunidad tiempo (minuto u hora ).Se hace una distinción el volumen de trabajo (caudalde succión) y el caudal volumétrico (caudal de

FV

Volumen detrabajo

descarga) de un compresor.

Volumen de trabajo V Wor [ l/min, m³/min., m³/h ]Caudal de succión

ig. 1.17:olumen de trabajo y

Caudalvolumétrico

En compresores a pistón, el volumen de trabajo es unacantidad calculable. Es el producto del tamaño delcilindro (capacidad del pistón), velocidad delcompresor (cantidad de carreras) y la cantidad decilindros trabajando. Se expresa en l/min, m³/min om³/h.

caudal volumétrico VWor = volumen de trabajo [ l /min]s = Carrera [dm]n = Cantidad de carreras [1/min ](velocidad del compresor)c = Cantidad de cilindros trabajando

S

Caudal volumétrico V [ l/min, m³/min, m³/h ]Caudal de descarga

Normalmente se llama caudal volumétrico al caudal de

descarga de un compresor.

En contraste con el volumen de trabajo, el caudalvolumétrico no es un valor calculado, sino medido enla descarga de un compresor y calculado hacia atrásen el estado de succión. El caudal volumétricodepende de la presión final relativa a las condiciones

PMS = Punto

muerto superior

de presión y temperatura.

El caudal volumétrico se mide según VDMA 4362, DIN1945, ISO 1217 o PN2 CPTC2 y expresado en l/min,m3/min o m3/h. El caudal efectivo, o sea el caudal dedescarga que realmente se puede usar, es una

Fig. 1.18:

consideración importante para el diseño de uncompresor. Los caudales volumétricos solo pueden sercomparados prácticamente cuando son medidos enlas mismas condiciones. Esto significa que deben seriguales la temperatura de succión, presión, humedadrelativa del aire y presión medida.

11

Fundamentos del aire comprimido

Caudal volumétrico Normal VNorm[ Nl/min, Nm3/min, Nm3/h ]

Tal como con el caudal volumétrico, el caudalvolumétrico normal también es medido.

Sin embargo, este no se refiere al estado de succiónsino a un valor de comparación teórico. Con el estadofísico normal, los valores teóricos son:

Caudal volumétrico + 8% = Caudal Normal

20°C 0°C

Temperatura = 273,15 K ( 0 °C ) Presión = 1,01325 bar ( 760 mm Hg ) Densidad del Aire = 1,294 kg/m3 ( aire seco )

Fig. 1.19:Caudal volumétrico Normal

Caudal Operacional VOperat [ Ol/min, Om3/min, Om3/h ]

El caudal volumétrico operacional da el caudalvolumétrico efectivo de aire comprimido.

Para poder comparar el caudal volumétricooperacional con otros caudales volumétricos, siempredebe ser indicada la presión del aire comprimidoademás de la dimensión Ol/min, Om3/min o Om3/h.

0 barabs 8 barabs

Fig. 1.20:Caudal volumétrico operacional

12

Fundamentos del aire comprimido

1.5 Aire comprimido en movimiento Se aplican diferentes leyes al aire comprimido enmovimiento que al aire comprimido estacionario.

1.5.1 Comportamiento del flujo El flujo o caudal volumétrico se calcula a partir delárea y velocidad.

V = Caudal volumétricoA1, A2 = Secciónv1, v2 = Velocidad

Fig. 1.21: El resultado de la fórmula es que:Comportamiento del flujo

1.5.2 Tipos de flujo El flujo( con r

Fig. 1.22:Flujo laminar

Fig. 1.23:

Flujo turbulento

La velocidad del flujo es inversamenteproporcional a la sección

puede ser laminar o parejo (Ideal), o turbulentoetrocesos y torbellinos ).

Flujo laminar ( parejo ) baja pérdida de presión

pequeña transición de calor

Flujo turbulento ( torbellinos ) alta pérdida de presión alta transición de calor

13