Aire Comprimido Valvulas

El almacenamiento apropiado del aire comprimido es una de las partes ms importantes de un sistema de aire comprimido bien diseñado pero frecuentemente una de las partes menos contempladas y cuidadas. Llámelo como usted quiera, tanques, tachos o pulmones ellos hacen siempre lo mismo. Almacenan el aire comprimido. Este almacenamiento puede ayudarlo a mejorar la eficiencia haciendo que la presión sea constante y no se reflejen en la línea las pulsaciones de la presión de los compresores, ayudan a precipitar parte de la humedad, estabiliza y balancea la presión y mejora el rendimiento de los compresores operando en carga parcial.

Cuando haga una reingeniería del sistema o compre un nuevo tanque, hágalo generosamente ya que usted no cambiara el tanque con el próximo compresor que agregue en su instalación.

Recuerdo el caso de un productor de bebidas que tenía una pérdida de presión en la línea en diferentes momentos del dia, lo cual causaba problemas a la producción y hacia que otro compresor debiera entrar en servicio. El cliente me había pedido asesoramiento para saber que compresor debía comprar que que todos los vendedores de equipo suponían unidades muy sobredimensionadas.

Mientras trabajaba, durante la auditoria, la empresa decidió agregar un ítem al contrato y hacer un estudio detallado de las demandas de aire comprimido de todas las líneas para saber que era exactamente lo que estaba sucediendo. Ese estudio revelo un evento que demandaba aproximadamente 4.25 m3/min y duraba algunos minutos. El estudio revelo además que sin esas demandas intermitentes, el equipamiento existente de compresores era adecuado para la demanda. La solución final fue instalar un tanque de almacenamiento auxiliar para compensar esos picos de demanda. La solución fue muy económica frente a la compra de un nuevo compresor. Gracias a los ahorros de energía que suponía un compresor de mayor potencia el repago de esta inversión fue inferior a 12 meses.

En Estados Unidos todos los tanques deben ser construidos acorde a las normas ASME, llevan una estampilla, numero de serie y deben ser registrados. En Argentina los fabricantes, generalmente construyen los tanques acorde a la norma ASME dado que no existe una norma que regule el diseño de los tanques, aunque si una norma que exige las pruebas hidráulicas regulares.

La norma general es orienta a usrs aproximadamente 0.4 a 0.7 m3 de almacenamiento por cada m3/min de aire entregado por el compresor. Este almacenamiento también será función del tipo de compresor, sistema de control, y la cantidad de eventos transitorios que ocurran.

En el caso de diseño de un sistema con múltiples compresores, el equipo a considerar es el de punta a fin de evitar que funcione con carga parcial. Es muy importante considerar también el tiempo que demora en entrar en servicio y comenzar a entregar aire comprimido el compresor que actuara como compresor de punta a fin de evitar caídas de presión en la línea.

Un tanque con aire y sin un diferencial de presión con la línea no tendrá ningún efecto y no almacenara aire. El tanque debe ser visto como un dique en un rio. Si existe un caudal que ingresa igual al que sale no tendremos acumulación. Cuando la salida es menor que el ingreso comenzaremos a acumular para que cuando tengamos una demanda puntual mayor al ingreso podamos cubrir dicho déficit con la diferencia acumulada.

El volumen de aire usable en el tanque dependerá de la diferencia de presión. Con la siguiente formula podemos ver cómo interactúan los diferentes parámetros:

Siendo:

T: Tiempo en minutos

V: Volumen del tanque

P1: Presión inicial en bar

P2: Presión final en bar

C: Demanda de aire en m3/min

Pa: Presión Atmosférica

La presión atmosférica a nivel del mar es aproximadamente 1 bar (1000 hPa) y esta varia con la altura. Por ejemplo al momento en que estoy escribiendo esta nota la presión atmosférica en la Ciudad de Buenos Aires es de 1009 hPa y en Mendoza 925 hPa.

Cuidado, no caiga en la tentación de creer que por elevar la presión del sistema aumentara la capacidad de almacenamiento ya que por cada bar adicional de presión sobre los 6 bar, el aumento de presión se incrementa entre 7 y 10%. Además, recuerde que a mayor presión, mayores son las fugas. Los controladores de presión y caudal, al igual que los reguladores de presión lo ayudaran a maximizar las ventajas del almacenamiento

Almacenamiento primario

Una constante fuente de debate es la definición de donde colocar el tanque de almacenamiento si antes o después del secador de aire comprimido. Para compresores a pistón, un tanque colocado después del compresor proveerá una compensación que reducirá de picos de presión y pulsación beneficiando al compresor y al sistema.

Para cualquier sistema usar un tanque antes del secador, reducirá la carga del mismo ya que ayudara a separar los condensados al enfriar el aire. Además reducirá la probabilidad de pasaje de líquido a la línea en el eventual caso que el secador pudiera fallar. Sin embargo, el inconveniente es que a medida que el tanque se llena de aire saturado, una demanda excesiva podría sobrecargar al secador y la humedad pasaría a la línea y demás componentes del sistema.

Ubicar el tanque luego del secador provee un almacenamiento de aire listo para satisfacer cualquier pico de demanda sin crear sobrecarga ni caídas excesivas de presión. Sin embargo, el inconveniente se presentara en que el control de presión del compresor perderá eficacia ya que a la banda de control deberá agregar la caída de presión que agrega el secador al control y por lo tanto la consiguiente demora en la respuesta del control.

¿Cuál es el sistema óptimo? Usar dos tanques, uno entre los compresores y el secador y otro luego del secador, esto le dará ambas ventajas a su instalación. Si el presupuesto no lo permite entonces me inclino a usar el segundo.

Almacenamiento secundario

El almacenamiento secundario de aire comprimido puede proveer una fuente de aire comprimido para operaciones puntuales, reducir perdidas de presión o ayudar a balancear el sistema. Como ejemplo podemos mencionar dos casos típicos que generan problemas frecuentemente cuanto las líneas no están bien diseñadas, las prensas y los filtros de mangas.

Estas operaciones requieren caudales instantáneos elevados en periodos cortos. Sin un almacenamiento auxiliar esto genera caídas de presión y en el caso de una prensa puede generar la liberación de un freno o embrague causando accidentes.

Para evitar inconvenientes como estos normalmente se aplican estrategias de almacenamiento secundario como se muestra en la siguiente imagen.

De esta forma un caudal de alta demanda instantánea se puede transformar en una baja demanda constante donde el cálculo del tanque y las cañerías auxiliares serán función de los caudales de aire requeridos y la diferencia de presiones de trabajo

Existen otras estrategias como por ejemplo almacenamiento de alta presión que serán objeto de futuras notas.

INTRODUCCIÓN

El aire comprimido es una de las formas de energía más antiguas que conoce el hombre y aprovecha para reforzar sus recursos físicos.

El descubrimiento consciente del aire como medio que nos rodea se remonta a muchos siglos, lo mismo que un trabajo más o menos consciente con dicho medio.

Aunque los rasgos básicos de la neumática se cuentan entre los más antiguos conocimientos de la humanidad, no fue sino hasta el siglo pasado cuando empezaron a investigarse sistemáticamente su comportamiento y sus reglas. Sólo desde aprox. 1950 se puede hablar de una verdadera aplicación industrial de la neumática en los procesos de fabricación.

A pesar de que esta técnica fue rechazada en un inicio, debido en la mayoría de los casos a falta de conocimiento y de formación, fueron ampliándose los diversos sectores de aplicación.

En la actualidad, ya no se concibe una moderna explotación industrial sin el aire comprimido. Este es el motivo de que en los ramos industriales más variados se utilicen aparatos neumáticos cuya alimentación continua y adecuada de aire garantizará el exitoso y eficiente desempeño de los procesos involucrados en la producción.

El diseño y mantenimiento adecuado de redes de aire comprimido y sus respectivos accesorios, juega un papel decisivo en los procesos productivos involucrados cuya energía utilizada es el aire.

DISEÑO DE UNA RED DE AIRE

1.1. DISPOSITIVOS

2. DESCRIPCIÓN DE UNA RED

En general una red de aire comprimido de cualquier industria cuenta con los siguientes 7 dispositivos mostrados en la Figura 1.

1. Filtro del compresor: Este dispositivo es utilizado para eliminar las impurezas del aire antes de la compresión con el fin de proteger al compresor y evitar el ingreso de contaminantes al sistema.

2. Compresor: Es el encargado de convertir la energía mecánica, en energía neumática comprimiendo el aire. La conexión del compresor a la red debe ser flexible para evitar la transmisión de vibraciones debidas al funcionamiento del mismo.

3. Postenfriador: Es el encargado de eliminar gran parte del agua que se encuentra naturalmente dentro del aire en forma de humedad.

4. Tanque de almacenamiento: Almacena energía neumática y permite el asentamiento de partículas y humedad.

5. Filtros de línea: Se encargan de purificar el aire hasta una calidad adecuada para el promedio de aplicaciones conectadas a la red.

6. Secadores: Se utilizan para aplicaciones que requieren un aire supremamente seco.7. Aplicaciones con sus purgas, unidades de mantenimiento (Filtro, reguladores de presión y lubricador) y

secadores adicionales.

Figura 1. Componentes de una red de aire comprimido

Los elementos 1, 2, 3, 4 y 5 se ubican en la tubería principal. Su presencia es obligatoria en todas las redes de aire comprimido. El 6 puede ubicarse en las tuberías secundarias y el 7 se instala en la tubería de servicio que alimenta las diferentes aplicaciones.

1. Es la línea que sale del conjunto de compresores y conduce todo el aire que consume la planta. Debe tener la mayor sección posible para evitar pérdidas de presión y prever futuras ampliaciones de la red con

su consecuente aumento de caudal. La velocidad máxima del aire en la tubería principal es de .

2. TUBERÍA PRINCIPAL

Se derivan de la tubería principal para conectarse con las tuberías de servicio. El caudal que por allí circula es el asociado a los elementos alimentados exclusivamente por esta tubería. También en su diseño se debe prever posibles ampliaciones en el futuro. La velocidad del aire en ellas no debe

superar .

3. TUBERÍAS SECUNDARIAS4. TUBERÍAS DE SERVICIO

Son las que surten en sí los equipos neumáticos. En sus extremos tienen conectores rápidos y sobre ellas se ubican las unidades de mantenimiento. Debe procurarse no sobre pasar de tres el número de equipos alimentados por una tubería de servicio. Con el fin de evitar obstrucciones se recomiendan diámetros mayores de ½" en la tubería. Puesto que generalmente son segmentos cortos las pérdidas son bajas y por tanto la

velocidad del aire en las tuberías de servicio puede llegar hasta .

1. En la mayoría de las instalaciones el "Aire Comprimido" se considera como una Fuente de Energía comparable a la electricidad, el gas y el agua. En general es utilizado para el manejo de equipos de planta

y para instrumentación. En ambos casos la presión de la red es entre 6 y 7 .

1. El uso del aire comprimido en equipos de planta hace referencia a dispositivos robustos como taladros, pulidores, motortools, elevadores, motores y otros. En este caso el aire debe tener una calidad aceptable de humedad e impurezas. El consumo de aire de estos dispositivos de muestra en la Tabla 1.

Dispositivo

Consumo ( )

Elevadores neumáticos 0.5-5.0 Ton 70-200

Taladros 12-80

Grinders 20-85

Wrenches 30-50

Pistolas 20

Sand Blasting 70-115

2. Tabla 1. Consumos de diferentes dispositivos neumáticos

3.

4. EQUIPOS DE PLANTA5. INSTRUMENTACIÓN

Algunas empresas fuera de usar el aire comprimido en dispositivos robustos también lo usan para actuadores de precisión y pequeños motores neumáticos. Estos equipos tienen una función de control de procesos mas que de potencia como en un taladro. Debido a la precisión de sus componentes, el aire comprimido usado en ellos ha de tener una calidad superior a la usada en un equipo robusto. Por ejemplo, el aire ha de tener un contenido de humedad tan bajo que su punto de rocío sea siempre superior a la menor temperatura en cualquier lugar de la red con el fin de evitar la presencia de condensados. Además, las impurezas del aire deberán ser menores que 0.1g/Nm3 y hasta un tamaño de

3 .

2. USOS DEL AIRE COMPRIMIDO1. PARÁMETROS

3. LA RED DE AIRE COMPRIMIDO

Al iniciar el proceso de diseño de una instalación de aire comprimido se deben investigar todas las aplicaciones que se usarán y su ubicación en la planta. Con la ayuda de un cuestionario como el de la Figura 2

Figura 2. Cuestionarios de ayuda para el diseño de una red de aire comprimido

Presión: Se debe estimar la presión a la cual se desea trabajar para establecer el funcionamiento del

compresor y de la red. Generalmente una red industrial de aire comprimido tiene presiones de 6 y 7 . Caudal: El caudal de la red deberá ser diseñado con base en la demanda. Los dispositivos neumáticos traen

en sus catálogos métodos para estimar su consumo y obtener valores como los mostrados en la Tabla 1. Pérdida de presión: Los componentes de una red de aire comprimido como codos, t´s, cambios de sección,

unidades de mantenimiento, y otras se oponen al flujo generando pérdidas de presión. Garantizar que las pérdidas estén en los límites permisibles es una labor esencial del diseño. Algunos valores son mostrados en la Tabla 2.

Refrigerador posterior de agua 0,09 bar

Refrigerador posterior de aire 0,09 bar

Secador frigorífico 0,20 bar

Secador adsorción 0,30 bar

Separadores cerámicos 0,10 bar

Red de tuberías 0,14 bar

Filtros en general 0,15 bar

Tabla 2. Pérdida de presión de algunos dispositivos

Velocidad de circulación: Esta velocidad debe controlarse puesto que su aumento produce mayores pérdidas de presión.

1. Todo movimiento de un fluido por una tubería produce una pérdida de presión debido a su rugosidad y diámetro asociado. La selección de los diámetros de las tuberías de una red de aire se determina según los principios de la mecánica de fluidos y para ello se utilizan ecuaciones y diagramas.

Esta información no se expone en este trabajo pero puede ser consultada por el lector en cualquier libro de diseño de redes.

El material mas usado en las tuberías de aire es el acero. Debe evitarse utilizar tuberías soldadas puesto que aumentan la posibilidad de fugas, mas bien se recomiendan las tuberías estiradas. Actualmente en el mercado se encuentra un nuevo tipo de tuberías en acero anodizado que, aunque mas costosas, tienen una mayor duración que las de acero.

La identificación es una parte importante del mantenimiento. Según la norma UNE 1063 las tuberías que conducen aire comprimido deben ser pintadas de azul moderado UNE 48 103.

En general la tubería de una red no necesita mantenimiento fuera de la corrección de fugas que se producen mas en las conexiones que en la tubería en sí. En caso que la tubería presenta obstrucción por material particulado debe limpiarse o reemplazarse aunque esto no es común en las empresas.

2. TUBERÍA3. CONFIGURACIÓN

Existen varias posibles configuraciones de una red de aire comprimido tal como se muestra en la Figura 3. En una red de aire el factor mas esencial de todos es la distribución de agua en la red puesto que los datos de pérdidas, velocidad, presión y otros pueden ser calculados matemáticamente sin mayor dificultad. En cambio las zonas de acumulación de agua en una red han de ser detectadas por la pericia del ingeniero.

Figura 3 Posibles configuraciones de las redes de aire

Red abierta: Se constituye por una sola línea principal de la cual se desprenden las secundarias y las de servicio tal como se muestra en la Figura 3 (sup.). La poca inversión inicial necesaria de esta configuración

constituye su principal ventaja. Además, en la red pueden implementarse inclinaciones para la evacuación de condensados tal como se muestra en la Figura 4. La principal desventaja de este tipo de redes es su mantenimiento. Ante una reparación es posible que se detenga el suministro de aire "aguas abajo" del punto de corte lo que implica una detención de la producción.

Figura 4. Configuración abierta y su inclinación

Red Cerrada: En esta configuración la línea principal constituye un anillo tal como se muestra en la Figura 3 (medio). La inversión inicial de este tipo de red es mayor que si fuera abierta. Sin embargo con ella se facilitan las labores de mantenimiento de manera importante puesto que ciertas partes de ella pueden ser aisladas sin afectar la producción. Una desventaja importante de este sistema es la falta de direcciónconstante del flujo. La dirección del flujo en algún punto de la red dependerá de las demandas puntuales y por tanto el flujo de aire cambiará de dirección dependiendo del consumo tal como se muestra en la Figura 5. El problema de estos cambios radica en que la mayoría de accesorios de una red (p. ej. Filtros) son diseñados con una entrada y una salida. Por tanto un cambio en el sentido de flujo los inutilizaría.

Figura 5. Dirección del flujo en una red cerrada para una demanda característica

Cabe anotar que otro defecto de la red cerrada es la dificultad de eliminar los condensados debido a la ausencia de inclinaciones tal como se muestra en la. Esto hace necesario implementar un sistema de secado mas estricto en el sistema. Al contrario de lo pensado, Carnicer expone que en dichos sistemas las caídas de presión no disminuyen. Por tanto la principal razón para implementar redes cerradas es por su buen mantenimiento.

Figura 6. Configuración Cerrada y su ausencia de inclinación

Red interconectada: Esta configuración es igual a la cerrada pero con la implementación de bypass entre las líneas principales tal como se muestra en la Figura 3 (inf.). Este sistema presenta un excelente desempeño frente al mantenimiento pero requiere la inversión inicial mas alta. Además, la red interconectada presenta los mismos problemas que la cerrada.

1. INCLINACIÓN

En las redes abiertas se debe permitir una leve inclinación de la red en el sentido de flujo del aire. Esto con el fin facilitar la extracción de los condensados. Dicha inclinación puede ser de un 2% como se ilustra en la Figura 7. Al final debe instalarse una válvula de purga.

Para ver este gráfico obtener la version completa desde el menú superior

Figura 7. Inclinación en una red de aire

1. DISEÑO DE LA RED

La primera labor de diseño de una red de aire comprimido es levanta u obtener un plano de la planta donde claramente se ubiquen los puntos de demanda de aire anotando su consumo y presión requeridas. También identificar el lugar de emplazamiento de la batería de compresores. Es importante realizar una buena labor puesto que una vez establecida la distribución esta influirá en las futuras ampliaciones y mantenimiento de la red.

Para el diseño de la red se recomiendan las siguientes observaciones:

1. Diseñar la red con base en la arquitectura del edificio y de los requerimientos de aire.2. Procurar que la tubería sea lo mas recta posible con el fin de disminuir la longitud de tubería, número de

codos, t´s, y cambios de sección que aumentan la pérdida de presión en el sistema.3. La tubería siempre deber ir instalada aéreamente. Puede sostenerse de techos y paredes. Esto con el fin

de facilitar la instalación de accesorios, puntos de drenaje, futuras ampliaciones, fácil inspección y accesibilidad para el mantenimiento. Una tubería enterrada no es práctica, dificulta el mantenimiento e impide la evacuación de condensados.

4. La tubería no debe entrar en contacto con los cables eléctricos y así evitar accidentes.5. En la instalación de la red deberá tenerse en cuenta cierta libertad para que la tubería se expanda o

contraiga ante variaciones de la temperatura. Si esto no se garantiza es posible que se presentes "combas" con su respectiva acumulación de agua.

6. Antes de implementar extensiones o nuevas demandas de aire en la red debe verificarse que los diámetros de la tubería si soportan el nuevo caudal.

7. Un buen diámetro de la tubería principal evita problemas ante una ampliación de la red. La línea principal deberá tener una leve inclinación en el sentido de flujo del aire para instalar sitios de evacuación de condensados.

8. Para el mantenimiento es esencial que se ubiquen llaves de paso frecuentemente en la red. Con esto se evita detener el suministro de aire en la red cuando se hagan reparaciones de fugas o nuevas instalaciones.

9. Todo cambio brusco de dirección o inclinación es un sitio de acumulación de condensados. Allí se deben ubicar válvulas de evacuación.

10. Las conexiones de tuberías de servicio o bajantes deben hacerse desde la parte superior de la tubería secundaria para evitar el descenso de agua por gravedad hasta los equipos neumáticos y su deterioro asociado. Un ejemplo de dicha conexión se muestra en la Figura 7.

1.2. OPERACIÓN Y MANTENIMIENTO DE ACCESORIOS

El propósito de los accesorios (Figura 8) es mejorar la calidad del aire comprimido entregado por el compresor para adaptar este a las condiciones específicas de cada operación, algunos accesorios también se utilizan para la regulación de caudal y presión, lubricación de los equipos a instalar en la red o simplemente para cambios de direcciones en la red y paso o no de fluido dependiendo de la aplicación.

Tener aire comprimido de buena calidad es importante para asegurar una larga vida útil de los equipos neumáticos y unos óptimos resultados en los procesos que requieren dicho servicio.

Las características mas importantes a tener en cuenta son:

La cantidad de aceite que contiene el aire La cantidad de agua presente en el mismo El punto de rocío Cantidad de partículas extrañas contenidas en el aire

Figura 8 Ejemplo de una red y sus accesorios

1. El objetivo de este accesorio es disminuir la temperatura del aire luego de la compresión, ya que el aire luego de ser comprimido quede 100% saturado, al tener lugar una disminución brusca de temperatura se presentaran condensados, por lo cual podemos decir que este equipo sirve también para disminuir la cantidad de agua contenida en el aire; esto implica que siempre que se utilice un postenfriador es necesario instalar algún medio para retirar los condensados que este genera, tales como separadores centrífugos ( separadores de mezcla )

Esencialmente un postenfriador es un intercambiador de calor en el cual el elemento qu e pierde calor es el aire comprimidos, mientras que el mdio que lo gana es algun refrigerante, usualmente aire o agua.

Existen muchas formas posibles para un postenfriador, las mas comunes son concha y tubo, tubos aleteados y radiadores.

1. En lugares donde el aire tiene alta presencia de contaminantes, la utilización de este equipo es cuestionable, ya que aunque el fluido de trabajo es gratuito (menor costo de operación), la cantidad de mantenimiento aumenta los costos.

Figura 9 Postenfriadores Aire-Aire

2. POSTENFRIADORES AIRE-AIRE3. POSTENFRIADORES AIRE-AGUA

Tiene alta eficiencia, menor necesidad de espacio y mayor costo de operación por el fluido de trabajo y la instalación.

Figura 10 Postenfriador Aire-Agua

2. POSTENFRIADORES

Siempre se instala después del postenfriador, el objetivo del separador es retirar el agua que se ha condensado del proceso de enfriamiento del aire.

Básicamente consiste en un recipiente cilíndrico que va colocado verticalmente, en su interior tiene un balde que deflecta la corriente de aire, haciendo que este sufra un proceso de centrifugación, por lo cual las gotas de agua que son mas pesadas que el aire se adhieren a las paredes del recipiente, para luego caer al fondo de este por efecto de la gravedad, dicha agua será finalmente retirada mediante una trampa de drenaje automático.

3. SEPARADOR CENTRÍFUGO

Las válvulas de drenaje automático deben ir en sitios donde exista la necesidad de desalojar condensados, por ejemplo filtros, separadores centrífugos, piernas de drenaje, tanque etc. La función de estas consiste en abrirse cada cierto tiempo para comunicar el sitio donde existe el condensado con el exterior, permitiendo que este sea desalojado:

Figura 11. Válvulas de Drenaje Automático

1. Funcionan por principios mecánicos y no requieren ningún tipo de energía exterior. Tiene la desventaja que el tiempo de ciclado es relativamente aleatorio no habiendo ningún control sobre el tiempo que la válvula permanezca abierta y permitiendo que se deposite una capa sobre la válvula haciendo que esta pierda sensibilidad hasta que se bloquea

Mantenimiento

Como consecuencia de la perdida de sensibilidad por depósitos este tipo de válvulas requiere mantenimiento periódico.

2. VÁLVULAS DE DRENAJE AUTOMÁTICO MECÁNICO

Consiste en un flotador de forma esférica instalado en la base de la misma. Que por la acción de la acumulación de condensado es desplazado hacia arriba, hasta llegar a un punto tal que ocasiona la apertura de una válvula mecánica permitiendo la salida del condensado; al salir cierta cantidad de

condensado, el flotador se desplaza hacia abajo cerrando la válvula mecánica. Este ciclo se produce continuamente.

Mantenimiento

Este tipo de válvula de drenaje automático es menos susceptible de sufrir problemas por acumulación de contaminantes que la válvula de flotador, y como consecuencia el mantenimiento es menos frecuente.

3. VÁLVULAS DE DRENAJE AUTOMÁTICO DE FLOTADOR4. VÁLVULAS DE DRENAJE AUTOMÁTICO ELECTRÓNICA

Este tipo de válvulas opera mediante un solenoide, la cual es controlada por un temporizador que determina exactamente los intervalos de apertura y la duración de los mismos.

Mantenimiento

Es muy confiable y prácticamente libre de mantenimiento.

4. VÁLVULAS DE DRENAJE AUTOMÁTICO

El propósito de los filtros de aire comprimido es suministrar aire libre de contaminantes a los diferentes puntos de aplicación. Contaminantes tales como agua, aceite, polvo, partículas sólidas, neblinas, olores, sabores y vapores, pueden atacar su sistema.

Mantenimiento:

A continuación se ilustran los pasos que deben realizarse cada 6 meses a un filtro. Primero, purgar los sedimentos y condensados abriendo convenientemente el grifo de la parte inferior del depósito y luego eliminar la presión de aire en la instalación. Desmóntese después el depósito y el elemento filtrante. Límpiese el elemento filtrante con agua jabonosa si es de nylon, tela o bronce sinterizado. Límpiese el vaso de depósito y los conductos del cuerpo con parafina o con soluciones poco concentradas de disolvente. Se deben inspeccionar las juntas y remplazarse por otras nuevas en caso de que estén malas.

1. Estos filtros están diseñados para retener partículas sólidas, interceptando las mismas mediante un elemento filtrante que puede ser de diversos materiales:

Papel, rejillas metálicas, mallas de nylon, espumas, etc.

Mantenimiento

Dichos elementos son recambiables y deben ser remplazados periódicamente puesto que se van saturando y ocasionan altas perdidas de presión.

Filtro de Partículas Filtros Coalescentes Filtros de Carbón Activado

Figura 12 Filtros

2. FILTROS DE PARTÍCULAS

El propósito de estos retener lubricantes, emulsiones y neblinas, mediante el principio de coalescencia, el cual consiste básicamente en tener una red aleatoria de fibras, la cual ante el paso de aire, produce formación de gotas alrededor de las fibras, cayendo luego estas a un recipiente de acumulación por efecto de gravedad. Como consecuencia del diseño del filtro pueden retenerse partículas sólidas incluso de menor tamaño que las retenidas por un filtro de partículas, por esto se recomienda instalar primero un filtro de partículas antes que uno coalescente y así evitar que este se sature.

Mantenimiento


3. FILTROS COALESCENTES4. FILTROS DE VAPORES

Son filtros diseñados para remover olores sabores y vapores orgánicos. Su principio de funcionamiento consiste en lechos de carbón activado que mediante adsorcion remueven dichos contaminantes.

Mantenimiento


5. FILTROS

A causa del calor generado durante el proceso de compresión, el aire comprimido sale con un grado de saturación del 100% en la mayoría de los casos; al ir disminuyendo la temperatura del aire comprimido durante su permanencia en el tanque y su paso por los diferentes accesorios y tuberías, pierde capacidad de retener vapor de agua, lo cual genera inevitablemente condensados, (agua liquida)

La presencia de condensados en el aire produce diversos problemas tales como corrosión, mal funcionamiento de herramientas neumáticas etc.

La solución a este problema son los secadores de los cuales hay de dos clases:

Refrigerados

Regenerativos

1. REFRIGERADOS6. SECADORES

Consisten en una maquina con un circuito de refrigeración típico el cual se encarga de enfriar aire por debajo de la temperatura mínima histórica en la red produciéndose intencionalmente condensados que son retirados por medio de un separador centrífugo.

Solo pueden ser utilizados en sitios donde el punto de rocío sea mayor o igual a 0 0C ya que de lo contrario el agua se congela y obstruye la tubería.

Figura 13 Secadores Refrigerados

FUNCIONAMIENTO

Se comprende mejor si se separan los fluidos que intercambian calor

Circuito de Aire:

El aire entra al secador, en caso de existir un preenfriador y un postcalentador, sufre preenfriamiento, luego pasa al evaporador, donde es retirado una gran cantidad de calor a consecuencia de lo cual sufre un brusco enfriamiento, generándose una gran cantidad de condensado, posteriormente pasa a través del separador donde se retira el agua liquida. Finalmente si hay un preenfriador – postcalentador, pasa por el lado contrario de este, ganando temperatura, para así salir del equipo con una temperatura cercana a la del ambiente.

Circuito de refrigerante:

El refrigerante sale del compresor como un gas a alta presión y alta temperatura, luego pasa al condensador donde es enfriado lo suficiente para que cambie a estado liquido, posteriormente pasa por la válvula de expansión donde disminuye radicalmente su presión, perdiendo temperatura, dicho liquido va entonces al evaporador, donde hay un intercambio de calor con el aire, retirándose una gran cantidad de calor de este, el cual es ganado por el refrigerante produciéndose un cambio de estado de liquido a vapor. Finalmente regresa al compresor dando inicio de nuevo al ciclo.

PARTES

Refrigerante Compresor de refrigeración Condensador Válvula de expansión Evaporador Separador Centrífugo Preenfriador y postcalentador de aire Válvula de expansión termostática Válvula Bypass de gases calientes Válvula supercalentadora Subenfriador de liquido

Mantenimiento

El mantenimiento de estos equipos es complejo por que manejan muchos elementos, en caso de no tener catalogo del equipo seguir las indicaciones de mantenimiento recomendadas en para cada uno de las partes que conforman este equipo.

1. REGENERATIVOS

Funcionan bajo un principio diferente que permite que alcancen puntos de rocío por debajo de 0 0C. Trabajan utilizando materiales desecantes, que son aquellos que tienen, la propiedad de adsorber agua, capacidad que se va perdiendo al irse saturando de esta, pero la cual pueden recuperar regenerándose, mediante diversos

métodos, los cuales dependen del material desecante empleado, los principales métodos de regeneración son.

Sin Calor

Atmosférico

Vacío

Soplado

Con Calor

Calentadores internos

Calentadores Externos

Calor de compresión

Mantenimiento

Requieren un mantenimiento frecuente y los materiales desecantes se van deteriorando, por diversas causas tales como la contaminación del aceite, corrosión química, erosión ante el paso de aire, regeneración incompleta etc.

1. Permite absorber las pulsaciones inherentes al sistema de compresión reciprocante, a la vez que suministra una superficie grande de intercambio de calor que permite disminuir parcialmente la alta temperatura del aire luego de la compresión. También absorbe sobrepicos de consumo alto y de corta duración ocasionados por aplicaciones que requieren grandes cantidades de aire en lapsos cortos de tiempo; permitiendo de esta manera tener no tener un compresor sobredimensionado para satisfacer las demandas.

Mantenimiento

Revisar que la válvula de seguridad se abra a una presión un 20% mayor que la presión máxima del sistema y que tenga una capacidad de evacuación mayor a la de los compresores. Si no existe debe instalarse un manhole de inspección, un sistema de evacuación de condensado automático, un bypass para mantenimiento y un manómetro confiable. Algunas veces se colocan medidores de temperatura y doble manómetro (de reserva)

El principal aspecto es la seguridad, ya que estos elementos son bombas en potencia. Las rutinas de mantenimiento se deben realizar con adecuada periodicidad, verificándose el estado de los elementos de seguridad realizándose inclusive ensayos no destructivos tales como ultrasonido y radiografías para verificar el óptimo estado de los mismos.

El mantenimiento que se le realiza al tanque se limita a una limpieza interior en muy escasas ocasiones, además de la verificación constante de las purgas.

2. TANQUES DE ALMACENAMIENTO

Figura 14. Unidad de Matenimiento

Este aditamento esta compuesto por un filtro de partículas de baja eficiencia, un regulador con manómetro y un lubricador; su función principales es la de acondicionar una corriente determinada para su uso en una maquina.

El filtro de partículas sirve para eliminar algunos contaminantes de tipo sólido, el regulador se encarga de disminuir la presión y el lubricador dosifica una cantidad requerida en algunas ocasiones por el equipo.

Mantenimiento

El mantenimiento de las válvulas acondicionadoras de presión es de cierta manera más complejo que el del resto de elementos de la unidad. Dicho mantenimiento se basa en las pruebas de fuga de aire las cuales consisten principalmente en suministrarle aire a altas presiones al regulador por sus dos entradas. Si suministramos una alta presión sólo a la entrada del regulador, no debe fluir aire hacia la salida. Esto se comprueba palpando el ducto de salida con el dedo húmedo. La otra prueba que se realiza es calibrando el resorte para una máxima presión de salida y suministrándole sólo aire a presión por la salida. Si esta es inferior a la máxima del resorte, no debería salir aire por el ducto opuesto de la válvula (la entrada).

Los nivel de lubricante deben mantenerse adecuadamente una o más veces por jornada. Es por eso que los operarios deben tener a su alcance lubricante suficiente. Si hubiera condensados de agua, se eliminan por el grifo de purga ya que el aceite es más ligero y flota sobre ella, por lo cual esta operación debería hacerse con regularidad, ya que si el nivel del agua alcanza el tubo de aspiración se produciría la pulverización del agua hacia la aplicación. En condiciones normales, la limpieza o eliminación de sedimentos cada seis meses suele ser suficiente.

PREPARACIÓN Y TRATAMIENTO DEL AIRE

En la práctica, la calidad del aire comprimido desempeña un papel primordial, tanto en algunas aplicaciones de producción propiamente dicha como por ejemplo el sector de alimentos, como en la parte del mantenimiento y conservación de los equipos y accesorios de la red de aire comprimido.

3. UNIDADES DE MANTENIMIENTO

Las impurezas en forma de partículas de suciedad u óxido, residuos de aceite lubricante y humedad dan origen muchas veces a averías en las instalaciones neumáticas y a la destrucción de los elementos neumáticos.

Mientras que la mayor separación del agua de condensación tiene lugar en el separador, después de la refrigeración, la separación fina, el filtrado y otros tratamientos del aire comprimido se efectúan en el puesto de aplicación.

Para evitar las impurezas, se debe procurar un filtrado correcto del aire aspirado por el compresor, la utilización de compresores exentos de aceite es una buena alternativa.

MANTENIMIENTO

Limpiar los filtros reutilizables y sustituir los desechables tanto en la aspiración como en la impulsión (Pre y post filtros).

Los filtros sucios incrementan el consumo energético y el consumo de aire.

4. IMPUREZAS

Hay que dedicar especial atención a la humedad que contiene el aire comprimido.

El agua (humedad) llega al interior de la red con el aire que aspira el compresor. La cantidad de humedad depende en primer lugar de la humedad relativa del aire, que -a su vez depende de la temperatura del aire y de las condiciones climatológicas.

La humedad absoluta es la cantidad de agua contenida en un m3 de aire.

El grado de saturación es la cantidad de agua que un m3 de aire puede absorber, como máximo, a la temperatura considerada. La humedad es entonces del 100%, como máximo (temperatura del punto de rocío).

El diagrama de la Figura 15 se muestra la saturación del aire en función de la temperatura.

Figura 15 Características del punto de rocío

mantenimiento

Comprobar los secadores de aire y controladores. El mantenimiento incorrecto de este sistema implica un incremento del consumo de energía que puede ascender hasta un 30%.

Si el aire comprimido contiene humedad, habrá de someterse a un secado el cual puede ser:

1. SECADO POR ABSORCIÓN (Figura 16)5. TRATAMIENTO DE LA HUMEDAD

El secado por absorción es un procedimiento puramente químico. El aire comprimido pasa a través de un lecho de sustancias secantes. En cuanto el agua o vapor de agua entra en contacto con dicha sustancia, se combina químicamente con ésta y se desprende como mezcla de agua y sustancia secante.

En el procedimiento de absorción se distingue:

Instalación simple Reducido desgaste mecánico, porque el secador no tiene piezas móviles No necesita aportación de energía exterior


Figura 16 Secado por absorción

Mantenimiento:

La mezcla de agua y sustancia secante tiene que ser eliminada regularmente del absorbedor. Ello se puede realizar manual o automáticamente.

Con el tiempo se consume la sustancia secante, y debe suplirse en intervalos regulares (2 a 4 veces al año). Al mismo tiempo, en el secador por absorción se separan vapores y partículas de aceite. No obstante, las cantidades de aceite, si son grandes, influyen en el funcionamiento del secador. Por esto conviene montar un filtro fino delante de éste.

1. Este principio se basa en un proceso físico. (Adsorber: Deposito de sustancias sobre la superficie de cuerpos sólidos.)

El material de secado es granuloso con cantos vivos o en forma de perlas. Se compone de casi un 100% de dióxido de silicio. En general se le da el nombre de Gel.

La misión del gel consiste en adsorber el agua y el vapor de agua. El aire comprimido húmedo se hace pasar a través del lecho de gel, que fija la humedad.

La capacidad adsorbente de un lecho de gel es naturalmente limitada. Si está saturado, se regenera de forma simple. A través del secador se sopla aire caliente, que absorbe la humedad del material de secado. El calor necesario para la regeneración puede aplicarse por medio de corriente eléctrica o también con aire comprimido caliente.

Disponiendo en paralelo dos secadores, se puede emplear uno para el secado del aire, mientras el otro se regenera (soplándolo con aire caliente).


Figura 17 Secado por adsorción Figura 18 secadores Ingersoll-Rand

2. SECADO POR ADSORCIÓN (Figura 17)3. SECADO POR ENFRIAMIENTO ( Figura 19)

Los secadores de aire comprimido por enfriamiento se basan en el principio de una reducción de la temperatura del punto de rocío.

Se entiende por temperatura del punto de rocío aquella a la que hay que enfriar un gas, al objeto de que se condense el vapor de agua contenido. El aire comprimido a secar entra en el secador pasando primero por el llamado intercambiador de calor de aire-aire ( Figura 19).

El aire caliente que entra en el secador se enfría mediante aire seco y frío proveniente del intercambiador de calor (vaporizador).

El condensador de aceite y agua se evacua del intercambiador de calor, a través del separador.

Este aire preenfriado pasa por el grupo frigorífico (vaporizador) y se enfría más hasta una temperatura de unos 274,7 K (1,7 °C) En este proceso se elimina por segunda vez el agua y aceite condensados.

Seguidamente se puede hacer pasar el aire comprimido por un filtro fino, al objeto de eliminar nuevamente partículas de suciedad.


Figura 19 Secado por enfriamiento Figura 20 secadora Ingersoll-Rand

1.

1. RECOMENDACIONES2. ERRORES Y RECOMENDACIONES

Recomendaciones para el diseño de una red de aire comprimido: ver numeral1.4. En el tendido de las tuberías debe cuidarse, sobre todo, de que la tubería tenga un descenso en el sentido de

la corriente, del 1 al 2%. Así se evita que el agua condensada que posiblemente en encuentre en la tubería principal llegue a través de las tomas. Para recoger y vaciar el agua condensada se disponen tuberías especiales en la parte inferior de la principal

El cuarto de máquinas debe tener diferentes elementos aparte del compresor:

Las impurezas en forma de partículas de suciedad u óxido, residuos de aceite lubricante y humedad dan origen muchas veces a averías en las instalaciones neumáticas y a la destrucción de los elementos neumáticos. Mientras que la mayor separación del agua de condensación tiene lugar en el separador, después de la refrigeración, la separación fina, el filtrado y otros tratamientos del aire comprimido se efectúan en el puesto de aplicación.

Por esta razón se dispone de enfriador, secador, separador de humedad y filtros además de una válvula de seguridad y un tanque (para evitar los pulsos de presión) para el caso de compresores normales ya que si se coloca un compresor de tornillo este podría suministrar aire continuo sin necesidad de tanques. (Figura 21)

Figura 21 elementos del cuarto de maquinas en una red de aire comprimido

Vale la pena anotar que la presión de trabajo necesaria para el sistema de producción de la planta, es la presión obtenida después de estos elementos.

Se recomienda la utilización de tanques de almacenamiento de 1 a 1.5 ft3 (28.3 a 42.5 lt) por cada 10 cfm (283.1685 lt/min) de capacidad del compresor para soportar de manera adecuada los aumentos en la demanda y las pulsaciones existentes.

A continuación se presenta un cuadro de diagnóstico para las líneas de distribución de aire (Tabla 3)

TIPO DE LÍNEA POSIBLE CAUSA DEL PROBLEMA

SOLUCIÓN

Sistema de líneas rígidas Peso muerto de la tubería Añadir más apoyos

Expansión y contracción Usar apoyos que permitan desplazamiento lateral de los tubos.

Presión interna Proveer apoyos adecuados para prevenir movimiento y flexión.

Fugas Todas las juntas de tubería deben estar hechas apropiadamente.

Reemplazar válvulas y accesorios defectuosos.

Si es causado por daños, revisar las condiciones ambientales y proteger zonas

vulnerables.

Demasiada agua en las tuberías de las aplicaciones

Revisar que las purgas sean adecuadas y estén en los lugares correctos.

líneas flexibles Fugas Revisar deterioro en las juntas de los extremos.

Proteger mangueras sujetas a difíciles condiciones ambientales.

Considerar el uso de líneas en espiral que se recogen automáticamente.

Excesiva caída de presión Revisa manguera por agujeros.

Asegurarse que el tamaño de la manguera sea el adecuado.

Tabla 3 diagnostico de las líneas de distribución de aire.

Se debe tener en cuenta que la causa más grande de caída de presión son filtros saturados. En una línea de distribución bien diseñada es aceptable una caída del 10% de presión. No incrementar el valor de la regulación de presión para compensar las pérdidas; en vez de ello, revise las posibles causas del problema.

Se recomienda una inspección periódica del sistema para que este siempre activo dando productividad. Se debe disponer de un plano de planta y un plano isométrico de la instalación con dimensiones de tubería e

indicación de los elementos y accesorios. Disponer de una ficha técnica física y digital en donde se registre la fecha de revisión de todos los elementos,

recomendaciones del fabricante y/o instalador, al igual que el registro de los fallos, sus causas, reparaciones y fechas del suceso.

Ubicar llaves de paso en las tuberías que permitan independizar ramales. No dejar mangueras de los equipos en el suelo ya que los sistemas de transporte dentro de la planta pueden

ocasionar averías a veces imperceptibles. Evitar fugas de aire (5 a 10 %), caídas de presión a lo largo de la instalación (2% la presión del compresor) y

mínima cantidad de agua en la red.

1. ERRORES

Creer que se puede compensar la insuficiencia de caudal de aire de un compresor aumentando la capacidad de reserva de aire por medio de tanques. Estos tienen como función regular el caudal y evitar cambios bruscos en la presión. El uso de tanques solo es justificable cuando se necesita gran volumen de aire en un periodo de tiempo muy corto.

Elevar la presión de trabajo para suplir la falta de aire de suministro. Esta aumenta un poco la reserva de aire pero a un costo en Kw muy alto.

Diseñar la tubería enterrada o subterránea sin que sea un caso especial. No ajustar herramientas ni inspeccionar constantemente la caída de presión. Fugas pequeñas son

imperceptibles debido a que el aire es inodoro y no es visible.

Leer más: http://www.monografias.com/trabajos16/redes-de-aire/redes-de-aire.shtml#ixzz2LrbAZ7Er

1- Introducción

1.1- Generalidades

Los sistemas neumáticos para la producción y distribución de aire comprimido de calidad tienen una importancia vital, y no sólo en el ámbito de la industria o de la construcción, sino también en el sector de la automoción, con aplicaciones muy diversas como la apertura neumática de puertas en autobuses, o el accionamiento del sistema neumático de frenos o la suspensión neumática de vehículos industriales o de gran tonelaje.

Figura 1. Instalación de un compresor de aire en camión

1.2- Unidades de medida

El punto de partida de una instalación de aire comprimido es el aire exterior de la atmósfera, que se encuentra a unas condiciones específicas de presión, temperatura y humedad propias de cada lugar.

Como acuerdo internacional, se toma la presión atmosférica normalizada, 1 atmósfera, que está definida como la presión atmosférica media al nivel del mar, y que toma los siguientes valores según el sistema de unidades:

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.

• 1 atmósfera = 1,01325 bar;• 1 atmósfera = 760 Torr (760 mm de Hg);• 1 atmósfera = 101 325 Pa (N/m2);• 1 atmósfera = 1,033227 Kg/cm2;• 1 atmósfera = 14,69595 PSI (pound/inch2);• 1 atmósfera = 10,33 metros de columna de agua (m.c.a.)

Para definir la presión en un sistema de aire comprimido se utiliza la presión efectiva, denominada también presión manométrica, y que suele expresarse en bar(e). Esta presión hay que distinguirla de la presión absoluta (a). Para pasar de una a otra sólo hay que restarle a la presión absoluta la presión ambiente (aprox. 1 bar). Así por ejemplo si un punto de consumo trabaja a una presión absoluta de 7 bar(a), su presión efectiva será de 7-1= 6 bar(e). Por tanto, la presión manométrica se aplica en todos aquellos casos donde la presión de trabajo es superior a la atmosférica, porque cuando esta presión es inferior a la atmosférica entonces se habla de presión de vacío.

Por otro lado, en ocasiones el consumo de aire de un punto de utilización viene definido en Nm3/min o Ndm3/min (también Nl/min), donde Nm3 y Ndm3 (o Nl) significa normal metro cúbico y normal decímetro cúbico (normal litro) respectivamente. Cuando se antepone el prefijo Normal a la unidad de medida se refiere a que está medido en unas condiciones de presión, temperatura y humedad relativa del aire, que son las siguientes:

• Presión: 1,013 bar(a)• Temperatura: 0 ºC• Humedad Relativa: 65%Pero el caudal volumétrico del aire libre suministrado para un equipo compresor (FAD) suele

venir definido en su hoja de especificaciones según unas condiciones estándar en la entrada del equipo que no suelen coincidir con las condiciones normales (ejemplo, 1 bar de presión absoluta y temperatura de 20 ºC). Para pasar de un caudal expresado en condiciones normales (ej. Nm3/s) a las condiciones estándar de trabajo (l/s) se emplea la siguiente expresión:

donde,

QFAD es el caudal de aire suministrado en las condiciones de trabajo estándar (l/s)QN es el caudal en condiciones normales (Nl/s)TFAD es la temperatura de entrada estándar al compresor (20 ºC)

mailto:[email protected]

TN es la temperatura normal de referencia (0 ºC)PFAD es la presión de entrada estándar al compresor (1 bar (a))1,013 es la presión de referencia normal (1,013 bar (a))

1.3- Calidad del aire

Los sistemas y procesos de producción modernos necesitan aire comprimido de alta calidad. Esta calidad se define en la norma internacional ISO 8573-1:2001 que califica la calidad del aire de acuerdo a los valores de suciedad (por el tamaño de las partículas sólidas suspendidas y su concentración), de agua (según el punto de rocío a presión alcanzado y el contenido de vapor de agua presente en el aire) y de aceite (por la concentración total de aceite presente en el aire en forma de aerosoles, líquidos o vapores).

Una vez definido la calidad de aire que se requiere según la aplicación, entonces se hace necesario someter al flujo de aire a un proceso de tratamiento mediante etapas de filtrado, separación de agua y secado que consiga unos niveles de suciedad, contenido en agua y aceite que queden por debajo de los límites establecidos.

A continuación se muestra la tabla que define la calidad del aire clasificándolo en diferentes clases según la normativa vigente:

Calidad del aire comprimido, según ISO 8573-1

CLASE

PARTÍCULAS SÓLIDAS Número máximo de partículas por m3 HUMEDAD

Punto de rocío a presión (ºC)

ACEITE Concentración total

mg/m3 (aerosoles, líquidos

o vapores)0,1-0,5 µm 0,5-1,0 µm 1,0-5,0 µm

1 100 1 0 -70 0,01

2 10000 1000 10 -40 0,1

3 - 10000 500 -20 1

4 - - 1000 3 5

5 - - 20000 7 -

6 - - - 10 -

Tabla 1. Calidad del aire comprimido según ISO 8573-1

De esta forma para designar la clase de pureza del aire comprimido se debe seguir el siguiente formato:

ISO 8573-1 X.Y.Z,

donde:

X es la cifra que indica la clase de partículas sólidas, según la Tabla 1 anterior,Y es la cifra que indica la clase de humedad, según la Tabla 1 anterior,Z es la cifra que indica la clase de aceite, según la Tabla 1 anterior.

Ejemplo:

Aire comprimido Calidad ISO 8573-1 1.2.1, significaría un tipo de aire con la siguiente calidad:

- calidad de clase 1 en partículas sólidas (nº partículas por m3 de aire <100, para un tamaño de partícula entre 0,1 y 0,5 µm),

- clase 2 en humedad (punto de rocío a presión de -40ºC), y

- clase 1 en concentración de aceite (0,01 mg/m3).

1.4- Fundamentos termodinámicos

A continuación seguimos con una pequeña introducción a los fundamentos de la termodinámica, que ayude a entender mejor el principio de funcionamiento de los equipos que constituyen un sistema de aire comprimido cualquiera (compresores, secadores...).

El primero lo constituye la ecuación general de los gases (y el aire está constituido por una mezcla de gases, entre los que destaca el nitrógeno en un porcentaje del 78% y el oxígeno en el 21%), por lo que la siguiente formulación le es también de aplicación. La ecuación que relaciona presión, volumen y temperatura de un gas es la siguiente:

P · V = n · R · T

donde,

P es la presión absoluta del gas (Pa)V es el volumen que ocupa (m3)n es el número de moles (es el cociente entre masa del gas / peso molecular ó atómico del

gas)R es la constante de los gases (8,314 J/mol·K)T es la temperatura absoluta (K).

De la anterior expresión se deduce que si se hace aumentar la presión de un gas en mayor proporción a la que disminuye su volumen, como ocurre en la cámara de un compresor de aire, entonces la temperatura de ese gas aumenta. Por eso, a la salida de un compresor el aire está más caliente.

Según la expresión anterior en un proceso isotérmico (T=cte.) las relaciones entre presión y volumen deben cumplir siempre la siguiente expresión:

P1 · V1 = P2 · V2

que es conocida como Ley de Boyle.

Por otro lado, también se deduce que si se mantiene la presión constante (isobara) el volumen de un gas cambia en proporción directa a como lo hace su temperatura, es decir, que

que es conocida como Ley de Charles

Por último, otro aspecto que debe ser considerado en los sistemas de aire comprimido es la presencia de agua en el aire. En efecto, el aire exterior de la atmósfera puede ser considerado como una mezcla entre aire seco y vapor de agua. La cantidad o el porcentaje de vapor de agua presente en el aire se denomina humedad relativa. Los extremos estarán en el aire seco (contenido cero de agua) y en el aire saturado (cantidad máxima de agua que puede contener ese aire).

La capacidad del aire para contener agua depende de la temperatura, aumentando cuando esta aumenta, es decir, que un aire caliente puede contener más vapor de agua que un aire frío, pero a medida que este aire se enfríe su capacidad para retener la humedad se hace menor por lo que empezará a condensar gotitas de agua conforme la temperatura del aire baje.

Precisamente, el punto de rocío (PR) es esa temperatura a la que se satura el aire, es decir, la temperatura a la que el vapor de agua presente alcanza su presión de saturación. Si sigue bajando la temperatura por debajo de la temperatura de rocío entonces comienza a condensar agua, dado que el aire no tiene capacidad de contener esa humedad.

En la siguiente tabla se muestra los diferentes valores de la temperatura de rocío, según la humedad relativa y temperatura ambiental del aire a presión atmosférica:

Tabla 2. Temperatura de rocío a presión atmosférica

La Tabla 2 es muy sencilla de entender. Por ejemplo, supongamos un aire exterior con una temperatura ambiente de 25 ºC y una humedad relativa del 65%. Según la Tabla 2 le correspondería un punto de rocío de 18 ºC, es decir, que para que se produzcan condensaciones de agua en ese aire su temperatura debería bajar hasta los 18 ºC.

La anterior definición del punto de rocío está referida a la presión atmosférica, pero igualmente existe una punto de rocío a presión, cuando la presión a la que se encuentra el aire es superior a la atmosférica. Como se puede apreciar en la siguiente tabla, conforme aumenta la presión, la temperatura del punto de rocío también se hace mayor.

Tabla 3. Puntos de rocío para distintos valores de presión

2- Elementos del sistema

2.1- Compresor

El compresor es el elemento encargado de tomar el aire exterior que está a presión atmosférica (aprox. 1 bar) para elevarla según las necesidades de consumo o de uso a que se destine este aire comprimido (ej. para el accionamiento de utillajes, mecanismos, o bien de control o medida, accionando válvulas y otros dispositivos).




.

Según el principio de la termodinámica que se emplee, hay dos grandes familias de compresores de aire:

• Compresores de desplazamiento positivo, donde el aire se confina en un volumen interior de la máquina que posteriormente se reduce de dimensión por el desplazamiento de alguna de sus paredes, con el consiguiente aumento de la presión del aire retenido en su interior. Este tipo de compresores ofrecen caudales de aire no demasiado altos, pero permiten obtener relaciones de presión más elevados.

• Compresores dinámicos o turbocompresores, en este caso, los responsables de elevar la presión del aire son unos álabes que giran a gran velocidad, y que transmiten esta velocidad al aire que toman del exterior. Posteriormente este aire pasa a otra cámara o difusor donde el aire baja bruscamente su velocidad, transformándose toda la energía cinética adquirida en presión estática. Este tipo de compresores son capaces de proporcionar mucho caudal de aire, aunque a presiones más moderadas que el tipo anterior.

A continuación se realiza un estudio de las distintos tipos de compresores que componen las dos grandes familias antes descritas.

COMPRESORES DE DESPLAZAMIENTO POSITIVO:

- Compresores de pistón

El compresor de pistón es uno de los diseños más antiguos de compresores, pero sigue siendo en la actualidad el más versátil y eficaz. Este tipo de compresor funciona mediante el desplazamiento de un pistón por el interior de un cilindro accionado por una varilla de conexión o biela y un cigüeñal.

En los compresores de aire de pistón, el aire es comprimido en una cámara definida por la pared de un cilindro y el pistón. La posición del pistón, conectado a la biela, está controlada por el cigüeñal. Cuando el cigüeñal gira, el pistón se mueve hacia abajo, aumentando el tamaño de la cámara, por lo que a través de una válvula de aspiración llena de aire el interior de la cámara. Cuando el pistón alcanza su posición más baja en el cilindro, invierte su dirección y se mueve hacia arriba, reduciendo el tamaño de la cámara a la vez que aumenta la presión del aire en su interior. Cuando el pistón alcanza su posición máxima en el cilindro, el aire comprimido es descargado a través de la válvula de descarga hacia el depósito de acumulación.

Si sólo se usa un lado del pistón para la compresión, entonces se trata de un compresor de simple efecto,


Figura 2. Compresor de pistón de simple efecto

Por otro lado, si se utilizan ambos lados del pistón, las partes superior e inferior, entonces se trata de un compresor de doble efecto,

Figura 3. Compresor de pistón de doble efecto

La versatilidad de los compresores de pistón es muy extensa. Permite comprimir tanto aire como gases, con muy pocas modificaciones. El compresor de pistón es el único diseño capaz de comprimir aire y gas a altas presiones.

Los compresores de pistón pueden ir lubricados con aceite, o también existen diseños que permiten su funcionamiento libre de aceite. En estos casos, los pistones disponen de segmentos o aros de PTFE o carbón, y además las paredes del pistón y cilindro pueden ir dentadas, similar a los compresores de laberinto.

Otra opción en los compresores de pistón es la de emplear más de un pistón (por ejemplo, dos pistones) por lo que la compresión se realiza en varias etapas alcanzando mayores niveles de compresión. Después de cada etapa de compresión el aire se enfría antes de pasar a la siguiente etapa de alta, con lo que se mejora la eficiencia del proceso.

En el caso de compresores de dos pistones, la configuración en "V" es la más habitual para el caso de compresores de pequeño tamaño, mientras que la configuración en "L" (un pistón en posición vertical y el otro en horizontal) es también un diseño muy utilizado. En este caso el pistón vertical es el de baja presión y el horizontal el de alta.

Figura 4. Compresores de doble pistón

Por su diseño, los compresores de aire de pistón logran producir altas presiones en volúmenes relativamente pequeños, por lo que tienen mucha aplicación en actividades domésticas e industriales ligeras.

Generalmente, como rodamientos principales del cigüeñal, se utilizan los rodamientos rígidos de bolas, mientras que para la biela, se utilizan rodamientos o cojinetes de fricción. En ambos casos, los rodamientos utilizados deben ser capaces de soportar temperaturas muy elevadas que se originan en los compresores de pistón por las elevadas relaciones de compresión que se alcanzan.

Para mayor comprensión de lo expuesto, se invita el lector a visitar los siguientes enlaces y consultar las especificaciones técnicas de compresores de pistón disponibles en el mercado, para los dos tipos: exentos de aceite y con lubricación por aceite.

>> Compresores de pistón exentos de aceite

>> Compresores de pistón lubricados con aceite

Por último, están los compresores de diafragma mecánico. Este tipo de compresores se emplean para aplicaciones de pequeños caudales y bajas presiones o también como bombas de vacío. En este caso, un cigüeñal comunica el movimiento alternativo a través de una biela al diafragma, tal como se indica en la siguiente figura.

Figura 5. Compresor de diafragma

- Compresores de tornillo

El compresor de tornillo es un compresor de desplazamiento que se constituye de dos rotores en forma de tornillo paralelos y que giran en sentido contrario uno del otro, quedando todo el conjunto encerrado dentro de una carcasa.

Figura 6. Vista interior de un compresor de tornillo

El incremento de presión en el aire se consigue gracias al movimiento rotatorio a contrasentido de los dos rotores que hace disminuir gradualmente el espacio encerrado que queda entre las hélice.

Figura 7. Rotores de un compresor de tornillo

La relación de presión dependerá de la longitud y paso del vástago del tornillo, así como la forma dada al difusor donde se descarga el aire. Asimismo, la relación de presión máxima estará limitada por el incremento de temperatura que se origina con la compresión de tal forma que no afecte a la alineación de los rotores. Por ello, cuando se necesite de grandes relaciones de compresión se deberá utilizar varias etapas de compresión (en cada etapa, un compresor de tornillo), intercalando equipos de refrigeración del aire a la salida de cada etapa.

Figura 8. Compresor de tornillo de una etapa

El compresor de tornillo no está equipado con válvulas y no existen fuerzas mecánicas que puedan crear algún desequilibrio, por lo que los rotores pueden girar a grandes velocidades y generar grandes caudales para unas dimensiones relativamente pequeñas del compresor.

La única fuerza que se produce en este tipo de compresores es una fuerza axial a lo largo del eje de los rotores producida por la diferencia de presiones del aire entre la entrada y la salida, que debe ser absorbida por los rodamientos de los propios rotores.

Por otro lado, estos rodamientos van situados fuera de la carcasa, y como tampoco existe contacto de la carcasa con los rotores, ni entre los rotores entre sí, no se necesita sistema de lubricación en este tipo de compresores, y por lo tanto, el aire comprimido producido es libre de aceite.

No obstante, también se fabrican compresores de tornillos lubricados mediante la inyección del líquido lubricante (generalmente aceite, aunque también se puede emplear agua o polímeros) a través de las paredes de la cámara de compresión o carcasa, como se ve en la figura siguiente sombreado de rojo (Figura 9. Compresor de tornillo lubricado). Con ello se consigue reducir el incremento de temperatura que se produce con la compresión, y conseguir grandes relaciones de compresión (de hasta 14 y 17 bares) en una sola etapa, aunque a costa de perder eficiencia.

Figura 9. Compresor de tornillo lubricado

Los compresores de tornillo están ganando popularidad con respecto a los compresores de pistón alternativos, debido a su funcionamiento silencioso y a su suministro continuo, que se une a sus otras muchas ventajas, como puedan ser una mayor fiabilidad y eficacia.

Para mayor comprensión de lo expuesto, se invita el lector a visitar los siguientes enlaces para consultar las especificaciones técnicas de compresores de tornillo disponibles en el mercado, para los dos tipos: exentos de aceite y con lubricación por aceite.

>> Compresores de tornillo rotativo exentos de aceite

>> Compresores de tornillo rotativo con inyección de aceite

- Compresores de paletas rotativas

El compresor de paletas rotativas, basado en una tecnología tradicional y experimentada, se mueve a una velocidad muy baja (1450 rpm), lo que le otorga una gran fiabilidad. Son también muy silenciosos y proporcionan un caudal prácticamente constante.

Hay dos grupos de compresores de paletas rotativas, el primero lo forman los compresores de paleta en seco, los cuales van exentos de aceite pero sólo pueden operar con presiones bajas de hasta 1,5 bar. El otro grupo, el mayoritario, lo forman los compresores rotativos de paletas lubricadas, y estos ya sí pueden alcanzan presiones finales mayores, de hasta 11 bar.

Los compresores rotativos de paleta tienen generalmente un rendimiento superior a los compresores de tornillo, generalmente con una diferencia en cuanto a eficiencia de un 25% en favor del compresor de paletas.

El principio de funcionamiento es muy simple. El rotor, la única pieza en movimiento constante, dispone de una serie de ranuras con paletas deslizantes que se desplazan por su interior. Las paletas se realizan de una aleación especial de fundición, y van lubricadas en aceite como el resto de componentes, cuando son compresores lubricados.

El rotor, que está montado con cierta excentricidad dentro de la carcasa cilíndrica o estator, al girar genera una fuerza centrífuga que desplaza a las paletas de las ranuras contra las paredes de la carcasa formándose células individuales de compresión. La rotación reduce el volumen de la célula, por lo que se consigue aumentar la presión del aire contenido.

Figura 10. Compresor de paletas rotativas

El calor que genera la compresión se controla mediante la inyección de aceite a presión, necesario para la lubricación del rotor y las paletas.

El aire a alta presión se descarga cuando las paletas en su rotación pasan por el puerto de salida. Junto al aire se arrastran restos de aceite procedentes de la lubricación que deben ser eliminados por el separador de aceite a situar aguas abajo.

Para mayor comprensión de lo expuesto, se invita el lector a visitar los siguientes enlaces para consultar las especificaciones técnicas de compresores de paletas.

>> Compresores de paletas exentos de aceite

COMPRESORES DINÁMICOS O TURBOCOMPRESORES:

La otra gran familia de compresores la constituyen los compresores dinámicos o turbocompresores. Los compresores dinámicos a su vez se dividen en dos grandes grupos, según la dirección de salida del flujo de aire: radiales (centrífugos) o de flujo axial. Los compresores dinámicos permiten ofrecer un flujo continuo y suelen ser compresores muy eficientes si trabajan dentro de sus condiciones de diseño, dado que al tener pocas piezas en movimiento, se reduce mucho las posibles pérdidas debido a la fricción y al calentamiento de las mismas. No obstante su rendimiento depende mucho de las condiciones exteriores, así un cambio en la temperatura de entrada del aire respecto a sus condiciones de diseño que indique la hoja de especificaciones del compresor hacen variar significativamente su eficiencia final.

- Compresores centrífugos

Son compresores dinámicos donde la descarga final del aire se realiza en sentido radial. En cada etapa de compresión en este tipo de compresores el flujo de aire entra por el centro de un rodete dotado de álabes. El rodete va montado sobre un eje que gira a gran velocidad, y debido a la fuerza centrífuga impulsa al aire hacia la periferia del rodete. Posteriormente, este aire que sale radial y a gran velocidad va a parar a la carcasa o difusor en forma de espiral donde toda la energía cinética del aire se transforma en energía potencial en forma de presión.

Figura 11. Compresor centrífugo

Generalmente, los compresores centrífugos constan de 2 ó 3 etapas de compresión, con refrigeración intermedia. En este tipo de máquina el régimen de giro que alcanza el eje es muy elevado (entre 15.000-100.000 rpm), por lo que los cojinetes empleados serán de altas prestaciones, generalmente cojinetes de fricción lisos y lámina de aceite para lubricación.

No obstante, estos compresores trabajan exentos de aceite, dado que la lubricación se limita a los cojinetes que se sitúan en los extremos del eje fuera del contacto con el flujo de aire.

Para mayor comprensión de lo expuesto, se invita el lector a visitar los siguientes enlaces para consultar las especificaciones técnicas de compresores centrífugos disponibles en el mercado:

>> Compresores centrífugos

2.2- Equipo refrigerador posterior

El flujo de aire, una vez sale del compresor, además de salir a mayor presión, también sale a mayor temperatura (oscila según el grado de compresión entre 70 ºC y los 200 ºC). El aire a mayor temperatura también aumenta su capacidad de contener agua, pero conforme se vaya enfriando todo esta agua irá condensando y si no se ha extraído previamente terminará en el interior de la instalación y llegará hasta los puntos de consumo, con el riesgo que ello conlleva, no sólo en cuanto a durabilidad de la instalación y sus equipos (riesgo de oxidación), sino por la peligro de formación de plagas de microorganismos y el consiguiente riesgo de enfermedades.

Por ello, para evitar posibles condensaciones se coloca, nada más salir del compresor, un enfriador (aftercooler). El aftercooler no es más que un intercambiador de calor, que puede funcionar bien con agua o bien con aire como fluido caloportador. En la figura siguiente se muestra un esquema del dispositivo.

Figura 12. Aftercooler con deshumidificador incorporado

Justo detrás del enfriador, se coloca un deshumidificador que recoja lo antes posible el condensado producido. Este sistema ofrece una eficiencia entre el 80-90%, por lo que habrá que tener en cuenta la presencia todavía de agua en la instalación. Así, en el siguiente equipo, que suele ser el depósito de acumulación, habrá que dotarle de una válvula en su fondo para que siga drenando el agua que no se ha eliminado con el deshumidificador.

2.3- Depósito de acumulación

En todo sistema de aire comprimido es habitual la colocación de un depósito de acumulación de aire que alimente a las unidades de consumo. En una instalación con un compresor tipo todo / nada donde no exista un sistema de regulación de su velocidad que pueda acomodar la producción de aire a las necesidades de consumo, el depósito de acumulación funciona como un depósito pulmón, que permita reducir el número de arranques del compresor para hacer frente a la demanda de aire comprimido cada vez que se produzca. Generalmente es recomendable que un compresor tenga un régimen de arranques y paradas que se sitúe entre las 5-10 veces / hora.

El volumen de acumulación del depósito vendrá determinado por la capacidad del compresor, el sistema de regulación que se disponga y del modelo de consumo que va a seguir la instalación, es decir, si se tiene un consumo regular o por el contrario va a ser irregular con largos periodos de consumo moderado y periodos cortos con picos de elevado consumo. En caso de existir varios compresores que den servicio a la misma instalación, será las características del compresor de mayor capacidad el que condicione las características del depósito.

En la siguiente figura se muestra un depósito vertical dotado de las tubuladuras de entrada y salida de aire, boca de inspección, manómetro de medida de la presión interior, válvula de seguridad y válvula de desagüe o grifo de purga en la parte inferior del depósito.

Figura 13. Depósito de acumulación vertical

La válvula de seguridad estará regulada a no más de un 10% por encima de la presión de trabajo y deberá poder descargar el total del caudal generado por el compresor. Deberá contar además con un dispositivo de accionamiento manual para poder probar periódicamente su funcionamiento.

Cuando el tanque se instala en el exterior y existe peligro que la temperatura ambiente se sitúe por debajo de 0º C, el manómetro y la válvula de seguridad, para evitar problemas de congelación, se deberán instalar en el interior y disponer de tuberías que los conecte con el depósito exterior. Estas tuberías deberán tener pendiente hacia el depósito de modo que sean autodrenantes.

En los depósitos de tamaño pequeño la inspección se realizará por medio de una simple boca bridada de 100 a 150 mm de diámetro, mientras que en los de tamaño mayores las bocas de inspección serán del tipo entrada de hombre (460 a 508 mm de diámetro).

Las tuberías para el control (regulación) deberán estar conectadas al depósito en un punto donde el aire sea lo más seco posible.

El filtro con válvula de purga permitirá drenar el agua y aceite acumulado en el fondo del depósito.

Para el cálculo del Volumen (V) del depósito de acumulación es habitual el empleo de la siguiente expresión que relaciona las condiciones de funcionamiento del compresor con el consumo de aire de la instalación:

donde

T es el tiempo en minutos que transcurre entre arranques consecutivos del compresor, es decir, el tiempo que transcurre entre pasar de la presión máxima en el depósito (P1) a la presión

mínima (P2) de tarado que produce el arranque del compresor. El número de arranques / hora que resulta óptimo para cada compresor es un dato que puede ser consultado en su hoja de especificaciones

P1 - P2 es la diferencia de presiones máxima y mínima alcanzada en el interior del depósitoC es el consumo de aire en condiciones normales (CN) de la instalación (m3/minuto)Patm es la presión atmosférica.

Por otro lado, el depósito de acumulación va a ser un punto donde el aire irá acumulándose a la vez que enfriándose, y por lo tanto, con la segura probabilidad que se produzcan condensaciones. De esta manera, como ya se ha dicho, habrá que disponer de un drenaje en la parte inferior del depósito que evacue el agua que se vaya condensando en su interior.

Generalmente esta agua estará contaminada de aceite procedente de la lubricación del compresor, si es del tipo lubricado con aceite, por lo que no se podrá verter directamente a un desagüe sino que habrá que conducirla hacia un separador aceite-agua que extraiga la fracción de aceite contenido.

En muchas ocasiones, sobretodo en instalaciones con necesidades no muy grandes o en compresores portátiles, el depósito de acumulación va incorporado como un elemento más del compresor, como se aprecia en la figura siguiente.

Figura 14. Compresor con depósito integrado

Decir también que el depósito de acumulación cumple una misión amortiguador, dado que aísla el resto de la instalación de las pulsaciones en el caudal del aire producida a la salida del compresor, sobretodo de los compresores alternativos o de pistón, ofreciendo un caudal regular y uniforme, sin fluctuaciones.

Por último, recordar que los depósitos de acumulación de aire comprimido es un aparato a presión, y por lo tanto deberá cumplir con la reglamentación específica de aparatos a presión válido en cada país.

2.4- Filtros

Como ya se ha dicho, el aire es una mezcla incolora, inodora e insípida de muchos gases, principalmente nitrógeno y oxígeno. Pero además, el aire se contamina de forma natural con partículas sólidas, como polvo, arena, hollín y cristales de sal, dependiendo del entorno y la altitud donde se encuentre la instalación. El vapor de agua es otro ingrediente natural que se puede

encontrar en cantidades variables en el aire, además de restos de aceites que provengan de la lubricación del compresor.

Cuando se comprime el aire, aumenta la concentración de la humedad y de todos estos contaminantes, que si no se eliminan y permanecen en el sistema, producirán un efecto negativo sobre los equipos neumáticos, causando paradas de producción, productos defectuosos y reducción de la vida útil de los equipos, además de problemas higiénicos que pueden causar la proliferación de microorganismos por la presencia de humedad y otros contaminantes como aceites en los conductos del sistema de aire comprimido.

Figura 15. Filtro de aire

Resulta muy conveniente situar los filtros previos a los puntos de consumo, de manera que adecuen perfectamente su sistema de filtrado a los valores admisibles en cuanto contenido de aceite y de partículas, así como de vapor de agua antes de que el aire alcance el punto final de consumo.

En el siguiente enlace se puede consultar las características técnicas de filtros para el tratamiento de aire comprimido de una casa comercial:

>> Filtros

2.5- Secado del aire comprimido

El contenido de humedad del aire o de un gas comprimido se expresa normalmente por su punto de rocío, PR, en ºC, es decir y tal como se ha descrito en el apartado 1.4, es la temperatura a que tendría que enfriarse el aire para que el vapor de agua contenido en él condense.




.

Los fabricantes de secadores para aire comprimido, para especificar la eficacia de un secador, usan la terminología del PR alcanzado con él para describir la sequedad del aire. Pueden dar el punto de rocío a la presión atmosférica (PR), o sea 760 mm Hg, o bien el referido a la presión de trabajo, denominado punto de rocío a presión (PRP). Este último es más alto, es decir PRP > PR, y es el que realmente deberá tenerse en cuenta, dado que el aire comprimido se emplea a presión, y por lo tanto, a la presión de trabajo es cuando pueden producirse condensaciones perjudiciales en las conducciones y en los sitios de consumo.

En el apartado 2.2 se vio un primer secado del aire mediante un equipo refrigerador que se instala a la salida del compresor y que lleva incorporado un dispositivo para recogida del condensado (aftercooler con deshumidificador). Este equipo permitía extraer entre un 80-90% del contenido de agua presente en el flujo de aire.

No obstante, hay muchas aplicaciones (sanitarias, equipos de laboratorio...) donde se requiere un aire de gran calidad y completamente seco. Para ello hay que someter al aire a un nuevo proceso de secado que elimine completamente el contenido de agua.

Existen varias tipología de secadores, cada una con una complejidad y costo de instalación distinta. La variable que va a condicionar el coste y complejidad del secador necesario va a ser el punto de rocío a presión que tenga el aire a tratar. A menor punto de rocío mayor complejidad del secador.

Básicamente existen cinco técnicas aplicables al proceso de secado del flujo de aire: mediante refrigeración con separación posterior de la humedad, aplicando sobrepresión, secado por absorción, por adsorción y secado por membrana. A continuación, se desarrolla el principio de funcionamiento de algunos de ellos:

- La técnica de secado mediante refrigeración que incluye la separación posterior del condensado obtenido o también llamado secador frigorífico, consta de un doble intercambiador que mejora la eficiencia del sistema para alcanzar la calidad de aire necesaria.


Figura 16. Secador frigorífico

Un intercambiador de calor tipo aire-aire (1) se utiliza para pre-refrigerar el aire caliente que sale del compresor con el flujo de aire frío que sale del secador.

Otro intercambiador tipo aire-refrigerante (2) refrigera el aire hasta la temperatura de punto de rocío a presión necesaria.

Un separador de humedad (3) recoge el agua que se vaya condensando a la vez que dispone de una válvula de drenaje (4) que evacue el condensado.

La presión o temperatura del refrigerante que condiciona la intensidad del refrigerador (2) es controlada por una válvula de expansión (5) que se gobierna automáticamente según la calidad de aire requerida.

- El secado por sobrepresión es otro de los métodos aplicados para secar el flujo de aire. Es un método sencillo pero incurre en un alto costo energético, por lo que sólo es aplicable cuando se mueven caudales pequeños.

Básicamente consiste en comprimir el aire a mayor presión de la necesaria, con lo que se consigue aumentar la concentración de agua. Posteriormente se enfría la masa de aire, condensando el agua contenida. Ahora sólo queda expandir el aire hasta la presión requerida, con lo que se consigue una calidad de aire excelente con un punto de rocío a presión más bajo.

- El secado por absorción es una tecnología poco empleada que sólo permite reducir el punto de rocío de forma limitada. Básicamente consiste en emplear un material absorbente que capture las moléculas de vapor de agua. Es un proceso químico que utiliza como material absorbente

cloruro sódico o ácido sulfúrico por lo que los riesgos de corrosión con este método son elevados. Como se dijo no se utiliza mucho esta forma de secar el aire.

- La tecnología del secador por adsorción también es muy simple. Consiste en hacer pasar el aire húmedo a través de un lecho con material que sea higroscópico, es decir que tenga tendencia por absorber el agua del ambiente.

Figura 17. Secador de adsorción regenerado por purga

Evidentemente, con el paso del tiempo el material acabará saturándose de agua, por lo que deberá regenerarse para volver a tener la capacidad de adsorción de la humedad ambiente.

Es por ello que este tipo de secadores disponga de dos torres relleno del material higroscópico. Así mientras una torres funciona reteniendo la humedad del flujo de aire, la otra torre estará en proceso de regeneración del material higroscópico, invirtiéndose el funcionamiento de cada torre cuando la torre que está trabajando termine por saturarse.

2.6- Separador de aceite / agua

La fracción de condensado que decante en el fondo de los depósitos de acumulación, así como la fracción separada en los filtros separadores de agua, resulta ser un efluente acuoso con contenidos en aceite, sobretodo si se utilizan compresores lubricados con aceite.

La reglamentación vigente en la mayoría de los países impide el vertido en la red pública de saneamiento de agua con contenidos en aceite, por lo que previo a su vertido, habrá que someter al agua recogida a un proceso de separación, que permita recuperar el contenido de aceite y

almacenarlo de forma independiente, y poder así verter el agua limpia resultante a la red de saneamiento. El aceite separado será retirado por un gestor autorizado para el tratamiento de este tipo de residuos.

Toda esta labor la desempeña un tipo de equipos llamados separadores de aceite/agua, como pueden ser los filtros de membrana.

Figura 18. Filtro de membrana

El principio de funcionamiento de un filtro de membrana es muy sencillo. La estructura de constitución de la membrana es tal que deja pasar a las moléculas de pequeño tamaño (agua limpia), mientras que retiene en su interior las moléculas de mayor tamaño (aceite) que son separadas del flujo y conducidas hasta un contenedor para su almacenamiento.

En el siguiente enlace se invita al lector a conocer las especificaciones técnicas de separadores de aceite que existen en el mercado de una casa comercial:

>> Separadores de aceite/agua

3- Diseño de la instalación

3.1- Generalidades

Para realizar un buen diseño de un sistema de aire comprimido, éste debe cumplir con tres objetivos básicos: que la pérdida de carga sea mínima, disminuir las pérdidas o fugas en el sistema, y realizar un diseño tal que se facilite el drenaje del agua que se condense en el interior del circuito.

La red de distribución de aire comprimido deberá dimensionarse de tal forma que la caída de presión máxima entre la salida del compresor y el punto de consumo más lejano sea como máximo de 0,1 bar. A esta caída de presión habría que añadirle las pérdidas finales originadas en la

manguera flexible de conexión y otros conectores con el instrumento o utensilio que constituye el punto de consumo.

En general en un sistema de distribución de aire comprimido se pueden distinguir distintos tipos de tuberías según su función:

- Tuberías o ramales principales que provienen directamente de la sala de compresores;

- Tuberías de distribución, que parten del ramal principal y se distribuyen por los locales de uso;

- Tuberías de servicios, que son las derivaciones de la tubería de distribución hasta los accesorios de aire comprimido o puntos de consumo finales.

La mejor forma de implantar la línea de distribución es formando un anillo cerrado alrededor de la zona de consumo de aire, del que cuelgan los ramales hasta los puntos de consumo final. Con ello se consigue una alimentación uniforme dado que cada punto recibe el aire desde dos direcciones, aunque los consumos sean intermitentes.

Por último, decir que en todo diseño de un sistema de aire comprimido se recomienda seguir la siguiente secuencia lógica de etapas:

1.- Identificar los accesorios, herramientas y equipos consumidores de aire comprimido, señalando su localización en planta y determinando las condiciones de su consumo, tales como: caudal de aire y presión de suministro o de trabajo del equipo, máximo nivel de humedad admitido en el aire, de partículas y de contenido de aceite;

2.- Establecer el porcentaje de tiempo de funcionamiento de cada consumidor y el número de consumidores que pueden trabajar de forma simultánea en cada línea de distribución y en la línea principal;

3.- Estimar las posibles pérdidas por fugas, incorporándolo en el cálculo;

4.- Realizar el cálculo de la caída de presión máxima para cada punto final de consumo. El mayor valor obtenido será el que condicionará las prestaciones del compresor;

5.- Selección de los restantes elementos del sistema (compresor, depósito, equipos de tratamiento, etc.) y diseño final del piping de la red.

3.2- Estimación de consumos

En general, el consumo total de aire comprimido es aquel que resulta de sumar el consumo de todos los equipos neumáticos conectados en la planta, trabajando a pleno rendimiento. Este es un dato básico que permitirá la elección del tipo y dimensión del compresor.

A este valor hay que sumarle el obtenido por la estimación de las posibles fugas que en un futuro se originen en la instalación. Como nota extraída de la experiencia, decir que instalaciones bien conservadas presentan normalmente fugas que rondan entre el 2 y el 5%. Instalaciones con varios años de servicio pueden llegar a tener fugas del orden del 10%. Si además, las condiciones de mantenimiento no son del todo correctas, éstas pueden llegar a alcanzar valores del 25%.

En la siguiente tabla se expone un extracto que incluye los consumos típicos de herramientas y equipos neumáticos:

Tabla 4. Consumos típicos de herramientas y equipos neumáticos a 5,5 bar

Por otro lado, es habitual colocar en los puntos finales de consumo elementos como filtros y reguladores de presión que adecuen las características del aire a las especificaciones del equipo.

Figura 19. Regulador de presión y filtro

3.3- Cálculo de las pérdidas de carga

Toda la presión a la salida del compresor no se puede utilizar, dado que debido al rozamiento del aire con las paredes de la tubería por donde circula hasta llegar a los puntos de consumo, más los efectos de estrangulamientos que se originan en las válvulas de paso, los cambios de dirección en el flujo en los codos, todo ello repercute en pérdidas a través de un aumento en la temperatura del aire que se transforma finalmente en una pérdida de presión estática en el flujo.

Como ya se apuntó anteriormente, toda red de distribución de aire comprimido debe dimensionarse de tal forma que la caída de presión máxima entre la salida del compresor y el

punto de consumo más lejano sea como máximo de 0,1 bar. En la siguiente tabla se indican los valores recomendados de pérdida de carga en cada zona de una instalación fija de aire comprimido:

Caída de presión en ramal principal 0,02 bar

Caída de presión en tuberías de distribución 0,05 bar

Caída de presión en tuberías de servicios 0,03 bar

Caída de presión total en instalación de tuberías fijas 0,10 bar

Tabla 5. Distribución de caídas de presión en instalación de tuberías fijas

Existe una formulación matemática, la ecuación de Darcy-Weisbach, que permite calcular la pérdida de carga en un tramo longitud de tubería mediante la siguiente expresión:

donde,

Δp es la pérdida de carga medida según la altura manométrica (m.c.a.)L es la longitud de tramo de la tubería (m)D es el diámetro interior de la tubería (m)v es la velocidad del aire en el interior de la tubería (m/s)g es la acelaración de la gravedad (9,81 m/s2)f es el es el factor de fricción de Darcy-Weisbach.

De la anterior expresión todos los parámetros son conocidos salvo el factor de fricción ( f). En efecto, la velocidad del aire por la tubería (v) está relacionada con el caudal o flujo de aire (Q), que es un dato conocido proveniente del consumo necesario de cada punto de suministro.

En efecto:

Q = v · A

donde

Q es el caudal volumétrico o flujo de aire (m3/s)v es la velocidad del aire en el interior de la tubería (m/s)A es el área de la sección interna de la tubería (Π·D2 / 4) (m2)En las instalaciones de aire comprimido la velocidad máxima recomendada para la circulación

del aire por las tuberías está entre los 5-10 m/s, por lo que conocido el caudal (Q) necesario para el consumo y tomando una velocidad de circulación en ese intervalo, se obtiene de la expresión anterior el diámetro interior de la tubería (D). Por lo tanto es el factor de fricción (f), la gran incógnita a calcular.

El factor de fricción (f), es un parámetro adimensional que depende del número de Reynolds (Re) del fluido (en este caso, del aire) y de la rugosidad relativa de la tubería (εr )

f= f (Re , εr )donde el número de Reynolds (Re) viene expresado por la siguiente formulación:

Re =ρ · v · D

—————μ

siendo

ρ la densidad del fluido, en este caso del aire (ρaire = 1,18 kg/m3 a 25 °C)v es la velocidad del aire en el interior de la tubería (m/s)D es el diámetro interior de la tubería (m)μ es viscosidad dinámica del fluido, en este caso del aire (μaire = 1,76·10-5 kg/m·s)Por otro lado, la rugosidad relativa de la tubería (εr ) viene dada en función de la rugosidad

absoluta (K) del material del que está fabricada la tubería y de su diámetro interior (D) de acuerdo a la siguiente expresión:

εr =K

——D

En la siguiente tabla se muestran los valores de rugosidad absoluta para distintos materiales:

RUGOSIDAD ABSOLUTA DE MATERIALES

Material K (mm) Material K (mm)

Plástico (PE, PVC) 0,0015 Fundición asfaltada 0,06-0,18

Poliéster reforzado con fibra de vidrio

0,01 Fundición 0,12-0,60

Tubos estirados de acero 0,0024 Acero comercial y soldado 0,03-0,09

Tubos de latón o cobre 0,0015 Hierro forjado 0,03-0,09

Fundición revestida de cemento 0,0024 Hierro galvanizado 0,06-0,24

Fundición con revestimiento bituminoso

0,0024 Madera 0,18-0,90

Fundición centrifugada 0,003 Hormigón 0,3-3,0

Tabla 6. Rugosidades absolutas de materiales

Por otro lado, en el transporte de fluidos por el interior de tuberías, y el aire es un fluido, existen dos régimen: laminar y turbulento. Para cada fluido, y para una sección de tubería, a una temperatura determinada, existe una velocidad crítica (vc) por debajo de la cual el régimen es laminar. Este valor crítico que marca la transición entre los dos regímenes, el laminar y el turbulento, se corresponde con un Re = 2300, aunque en la práctica, entre 2000 y 4000 la situación es bastante imprecisa. Por lo tanto, en función del valor del número de Reynolds (Re) se tiene que:

• Re < 2000: Régimen laminar.• 2000 < Re < 4000: Zona crítica o de transición.• Re > 4000: Régimen turbulento.

Este concepto es importante conocerlo, porque la expresión para calcular el factor de fricción (f) es distinta según si el régimen es laminar o turbulento. Así se tiene que:

• Régimen laminarEn este caso el factor de fricción (f) depende únicamente del número de Reynolds a través de

la ecuación de Poiseuille:f = 64

——Re

Expresión que resulta sencilla de aplicar para calcular el factor de fricción (f) en función del Reynolds (Re).

• Régimen turbulento

Para el régimen turbulento este cálculo ya no es tan inmediato dado que el factor de fricción (f) depende tanto del número de Reynolds como de la rugosidad relativa de la tubería. En este caso existen diversas formulaciones que pueden ser utilizadas para el cálculo del factor de fricción:

>> Ecuación de Colebrook-White

Y otras como la ecuación de Barr, la ecuación de Miller o la ecuación de Haaland.

Afortunadamente, además de estas expresiones existen representaciones gráficas y ábacos

empíricos que nos permiten calcular cómodamente el factor de fricción (f). Uno de ellos es el Diagrama de Moody que es la representación gráfica en escala doblemente logarítmica del factor de fricción (f) en función del número de Reynolds (Re) y de la rugosidad relativa de la tubería (K/D), según se representa en la siguiente figura:

Figura 20. Diagrama de Moody

No obstante, existen diagramas empíricos, que suministran la mayoría de casas comerciales, y que permiten obtener ya directamente la caída de presión en tramos rectos de tuberías en función de la longitud de tubería considerada, su diámetro interior, el caudal de aire que circula y su presión, como se demuestra en el siguiente diagrama:

Figura 21. Caída de presión en tubería recta

Nótese que 1 bar = 100 kPa

Así pues, la ecuación de Darcy-Weisbach proporciona, como ya se vio, la expresión para calcular la pérdida de carga en cada tramo recto de tubería. Para calcular la pérdida de carga en otras situaciones (codos, derivaciones en T, bifurcaciones, reducciones, válvulas...) se sustituye cada accesorio de estos por unas longitudes de tubería equivalente, para posteriormente calcular su pérdida de carga como si se tratara de tramos rectos de tubería.

A continuación se muestra una serie de tablas donde se incluyen las longitudes de tubería equivalente para cada accesorio:

Tabla 7. Longitudes equivalentes de accesorios

3.4- Dimensionado del compresor y depósito

Para la selección del tipo de compresor más idóneo a la instalación que se proyecte es necesario de disponer de dos datos básicos como punto de partida a la hora de iniciar su selección:

• Consumo o caudal de aire• Presión máxima de trabajo

Con estos primeros datos, que ya se explicó cómo calcularlos en apartados anteriores, se suele emplear ábacos o tablas que recomiendan la tipología de compresor más idónea según el rango de trabajo donde se encuentre la instalación a proyectar.

En la siguiente figura se muestra un ejemplo de gráfica que se puede utilizar para seleccionar el tipo de compresor más conveniente según los valores de caudal y presión necesarios:

Figura 22. Límites de uso de compresores

No obstante, el resultado anterior debe suponer el punto de partida, dado que no sólo el consumo o el rango de presiones que debe dar el compresor va a condicionar su elección, sino que hay otros factores que dependiendo del lugar donde se instale (zona residencial, zona industrial...) o el tipo de aplicación (automoción, instalación fija...) decantará la elección en uno u otro tipo que por su construcción mejor se adapte al entorno.

Así, a la hora de seleccionar el tipo de compresor habrá que tener en cuenta los siguientes condicionantes y comprobar que están incluidos en la hoja de especificaciones técnicas del compresor que se seleccione:

• Factores medioambientales, tales como si es aplicable alguna limitación de emisión sonora.

• Altitud, dado que algunos tipos de compresores los cambios de altura o de temperatura del aire de aspiración afectan significativamente a su rendimiento. En la siguiente tabla se muestra cómo varían los valores estándar de presión y temperatura con respecto a la altitud.

Tabla 8. Valores de Presión y Temperatura estándar con la altitud

• Determinar el rango de funcionamiento, frecuencia de arranques/paradas o modalidad de trabajo en continuo.

Por último, para el cálculo del depósito de acumulación de aire se remite al lector al apartado "2.3. Depósito de acumulación" del presente tutorial donde se explica detalladamente este proceso.

3.5- Recomendaciones finales

Para un diseño racional de un sistema de aire comprimido se recomienda agrupar en una sala los equipos principales, esto es, compresor o compresores, depósito de acumulación y los equipos de tratamiento del aire (enfriadores, secadores...) de donde partirán las líneas principales y de distribución hasta los puntos de consumo, tratando siempre minimizar las longitudes de las tuberías.

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La mejor forma de implantar la línea de distribución es formando un anillo cerrado alrededor de la zona de consumo de aire, del que deberán colgar los ramales hasta los puntos de consumo final. Con ello se consigue una alimentación uniforme dado que cada punto recibe el aire desde dos direcciones, aunque los consumos sean intermitentes en cada punto.

Por último se recomienda seguir las siguientes pautas:

- Colocar derivaciones tipo "T" para los puntos de drenaje, dado que los cambios bruscos de dirección favorece el proceso de separación de las gotitas del agua de la corriente de aire.

- La instalación de las tuberías deberá realizarse con pendiente (aprox. 1%) en la dirección del flujo, para así favorecer la recogida de los condensados.

- Las conexiones y ramificaciones desde una tubería principal o de distribución deberán realizarse desde la parte de arriba de la tubería con el fin de impedir en lo posible la entrada de agua.

- Siempre que quede algún punto de la instalación en una cota de menor altura que sus alrededores, significará que será una zona de concentración de condensados, por lo que habrá que colocar puntos de drenaje. Igualmente, en toda línea principal de la instalación deberá colocarse puntos de drenaje cada 30 metros aprox., que deben situarse por debajo de la tubería.

- Minimizar la colocación de cambios de dirección, codos, bifurcaciones, válvulas, dado que todos estos elementos suponen pérdida de presión en el flujo.

ANEXOS

A.1- Símbolos de representación gráficos


Anexo 1. Símbolos de representación gráficos

Ley de PoiseuilleLa ley de Poiseuille (también conocida como ley de Hagen-Poiseuille después de los experimentos

llevados a cabo por Gotthilf Heinrich Ludwig Hagen (1797-1884) en 1839) es la ley que permite

determinar el flujo laminar estacionario ΦV de un líquido incompresible y uniformemente viscoso

(también denominado fluido newtoniano) a través de un tubo cilíndrico de sección circular constante.

Esta ecuación fue derivada experimentalmente en 1838, formulada y publicada en 1840 y 1846 por Jean

Louis Marie Poiseuille (1797-1869). La ley queda formulada del siguiente modo:

donde V es el volumen del líquido que circula en la unidad de tiempo t, vmedia la velocidad media del

fluido a lo largo del eje z del sistema de coordenadas cilíndrico, r es el radio interno del tubo, ΔP es

la caída de presión entre los dos extremos, η es la viscosidad dinámica y L la longitud característica

a lo largo del eje z. La ley se puede derivar de la ecuación de Darcy-Weisbach, desarrollada en el

campo de la hidráulica y que por lo demás es válida para todos los tipos de flujo. La ley de Hagen-

Poiseuille se puede expresar también del siguiente modo:

donde Re es el número de Reynolds y ρ es la densidad del fluido. En esta forma la ley

aproxima el valor del factor de fricción, la energía disipada por la pérdida de carga, el factor de

pérdida por fricción o el factor de fricción de Darcy λ en flujo laminar a muy bajas velocidades

en un tubo cilíndrico. La derivación teórica de la fórmula original de Poiseuille fue realizada

independientemente por Wiedman en 1856 y Neumann y E. Hagenbach en 1858 (1859, 1860).

Hagenbach fue el primero que la denominó como ley de Poiseuille.

La ley es también muy importante en hemodinámica.

La ley de Poiseuille fue extendida en 1891 para flujo turbulento por L. R. Wilberforce,

basándose en el trabajo de Hagenbach.

Cálculo de la fórmula

Consideremos una tubería horizontal de radio R constante y dentro de ella dos secciones

transversales A y B separadas una distancia L. Estas secciones delimitan un trozo de tubería que

en la imagen adjunta queda delimitada por los puntos ABCD. Dentro de la tubería indicada

consideramos a su vez un cilindro coaxial delimitado por los puntos abcd con área de tapas A = π

r2y radio r. Debido a la viscosidad del fluido, sobre este cilindro actúa un esfuerzo cortante Que

llamaremos T provocado por una fuerza cortante F sobre un área longitudinal AL = 2π r L. Esta

fuerza será igual a tendrá un sentido izquierda - derecha igual al

desplazamiento del fluido, provocado por un gradiente de presión en la que p1 es mayor que p2 (no

guiarse por el dibujo adjunto, aún no encontré la manera de cambiarlo). Integrando las fuerzas que

actúan sobre el cilindro considerado, se obtiene la expresión de la ley de Poiseuille.

De acuerdo a la Segunda ley de Newton, si p1 y p2 son las presiones aplicadas en el centro de

gravedad del área transversal del cilindro en las secciones 1 y 2 tenemos que:

Donde F es la fuerza ejecida por fluido debido a la viscosidad del mismo con la seccion de

tubo de radio r.

En un sólido el esfuerzo de corte es proporcional a la deformación, pero un fluido se deforma

continuamente mientras se aplique el esfuerzo, por lo tanto el esfuerzo de corte será

proporcional a la velocidad de corte por una constante llamada viscosidad, es

decir:

Sustituyendo el valor de la superficie AL por 2 π r L y despejando F nos

queda

Reemplazamos:

http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Poiseuille.png

Simplificando queda:

Con lo que:

Integrando esta ecuación:

El valor de la constante C queda determinada por las condiciones en los

límites. Es decir cuando r =R entonces v = 0. Por lo que:

Sustituyendo el valor de C en la ecuación inicial tenemos que:

Esta ecuación da la distribución de velocidades en una tubería.

Como se puede observar, el término del radio elevado al

cuadrado indica que se trata de un paraboloide, donde la

velocidad máxima se obtiene en el eje del mismo y que coincide

con el eje de la tubería. Zona en la que los efectos del

rozamiento con las paredes de la tubería es mínima. La

expresión de la velocidad máxima queda del siguiente modo:

En la práctica es más sencillo medir la velocidad media que

la velocidad máxima. La expresión de la velocidad media es

la siguiente:

Para calcular el caudal en la tubería vamos a considerar

un anillo diferencial de espesor dr entre dos

circunferencias concéntricas con el eje de la tubería y

radios r y r + dr. En este caso la expresión del caudal

queda:

Sustituyendo la expresión de la velocidad calculada

anteriormente tenemos que:

Integrando la ecuación anterior entre los

límites 0 y R podremos calcular el caudal total:

y finalmente obtenemos la expresión

de la ley de Poiseuille para el caudal:

si seguimos trabajando sobre esta

fórmula y sustituimos esta

expresión del caudal en la fórmula

anterior de la velocida media

obtenemos lo siguiente:

de donde se deduce que:

despejando la pérdida de

presión en las anteriores

ecuaciones obtenemos:

que no deja de ser

otra expresión de la

ley de Poiseuille para

la pérdida de presión

en una tubería de

sección constante

con flujo laminar.

Si dividimos y

multiplicamos el

segundo miembro de

la ecuación anterior

por la

expresión

tenemo

s que:

donde

es

la pérdida de

carga

y

es la expresión

del número de

Reynolds, con lo

que la pérdida

de carga queda

expresada del

siguiente modo:

comparando

esta última

expresión

con

la ecuación

de Darcy-

Weisbach se

deduce el

valor de :

siendo

esta

otra

expresió

n de la

ecuació

n de

Hagen-

Poiseuill

e.

CAPITULO 1: INTRODUCCIÓN A LA NEUMÁTICA

1.3.- INSTALACIONES NEUMÁTICAS: COMPONENTES

Desde el año 1885 en París, hubo que enfrentarse realmente con el problema que significaba

hacer llegar el aire comprimido a larga distancia a cada boca de consumo. El problema reviste

bastante importancia pues con él están relacionados muchos diferentes aspectos: tipo de red,

material de la tubería, tipos de unión, dimensiones, pérdidas de carga, accesorios, formas de

montaje,...

En este apartado vamos a analizar detalladamente cada uno de los componentes que conforman

una red de aire comprimido, desde la generación hasta el consumo.

Vemos en la figura siguiente (Fig.11), los elementos principales de una red neumática. En los

apartados siguientes iremos detallando y pormenorizando cada uno de ellos.

Fig. 1. 12 - Principales elementos de una instalación neumática [8].

1.3.1.- GENERACIÓN DEL AIRE COMPRIMIDO: EL COMPRESOR

Para producir aire comprimido se utilizan compresores, que elevan la presión del aire al valor de

http://maqlab.uc3m.es/NEUMATICA/Capitulo1/C1_apartado3.htm#1


trabajo deseado. Todos los mecanismos y mandos neumáticos se alimentan desde una estación

central de generación. De esta manera no es necesario calcular ni proyectar la transformación de

la energía para cada consumidor. El aire comprimido viene de la estación compresora y llega a las

instalaciones a través de tuberías.

Las centrales de generación pueden ser fijas, como en la mayoría de las industrias, o móviles,

como en la construcción o en máquinas que se desplazan frecuentemente.

Como norma general, al planificar una instalación, es necesario prever un tamaño superior de la

red, con el fin de poder alimentar aparatos neumáticos nuevos que se adquieran en el futuro. Por

ello, es necesario sobredimensionarla, con el fin de que el compresor no resulte más tarde

insuficiente, puesto que toda ampliación posterior en el equipo generador supone gastos mayores

que si se tiene en cuenta desde un principio.

1) Elementos y funcionamiento básico del compresor

Los compresores son máquinas cuya finalidad es aportar energía a los fluidos compresibles, para

hacerlos fluir aumentando al tiempo su presión. Esta característica los distingue de las soplantes y

ventiladores, que manejan grandes cantidades de fluidos compresibles sin modificar sensiblemente

su presión, de forma similar a las bombas.

Veamos primero los elementos principales del compresor en los puntos muertos superiores en las

etapas de aspiración y de compresión (Fig.12).

Fig. 1. 13 - Elementos principales del compresor [9].

Básicamente, un compresor admite gas o vapor a una presión pl dada, descargándolo a una

presión p2 superior, comprimiéndolo en una cámara y haciéndolo pasar a través de un conducto

de menor sección (para poder vencer la fuerza en la válvula generada por la sobrepresión

conseguida). La energía necesaria para efectuar este trabajo la proporciona un motor eléctrico, de

combustión o una turbina de vapor (ver Fig.13).

Fig. 1. 14 - Esquema y partes de un compresor alternativo hermético [10].

La energía es suministrada mediante un motor eléctrico trifásico

2) Tipos de compresores

Los compresores se clasifican por la forma de obtener el aumento de energía interna en el gas.

Hay dos grandes grupos: los de desplazamiento positivo y los dinámicos.

En los del primer grupo el aumento de presión se consigue disminuyendo el volumen de una

determinada masa de gas. En los del segundo, el concepto cambia, el aumento de presión surge

como consecuencia del aumento de energía cinética, que ha conseguido comunicársele al gas.

Dentro de estos grandes, existen subgrupos con características bien definidas, en cuanto a su

principio de funcionamiento y a su comportamiento. Se nombran en la figura siguiente todos los

tipos.

Fig. 1. 15 - Tipos de compresores [11].

Cada uno con su respectiva representación esquemática

3) Selección del compresor

Los puntos que intervienen en la elección son numerosos e importantes: presión máxima y mínima

pretendidas, caudal necesario, crecimiento previsto de la demanda, condiciones geográficas

(altitud, temperatura, etc.), tipo de regulación, espacio necesario, tipo de refrigeración,

accionamiento, lugar de emplazamiento exacto…

Es muy importante diferenciar a la hora de elegir si el compresor va a ser estacionario o de tipo

portátil. Esta segunda situación se suele dar en los casos de campaña donde deben realizarse

operaciones con la ayuda del aire comprimido.

1.3.2.- DEPÓSITOS

El aire comprimido es, quizás la única forma de energía fácilmente almacenable. Suelen utilizarse

para este propósito tanques o depósitos de muy variados tamaños.

Todas las plantas de producción de aire comprimido tienen normalmente uno o más depósitos de

aire. Sus dimensiones se establecen según la capacidad del compresor, sistema de regu-lación,

presión de trabajo y variaciones estimadas en el consu¬mo de aire.

El depósito de aire sirve para:

- Almacenar el aire comprimido necesario para atender de¬mandas punta que

excedan de la capacidad del compresor.

- Incrementar la refrigeración (por la superficie de este) y recoger posibles

residuos de condensado y aceite.

- Igualar las variaciones de presión en la red de aire.

- Evitar ciclos de carga y de descarga en el compresor dema¬siado cortos.



Fig. 1. 16 - Elementos principales de un depósito.

El depósito debe diseñarse y dimensionarse de acuerdo con las disposiciones de las autoridades

locales (regulaciones sobre recipientes a presión). En la determinación del tamaño del depósito se

debe tener en cuenta la capacidad del compresor y el sistema de regulación. El ciclo de regulación

del compresor no deberá ser demasiado por el excesivo desgaste en algunos compo¬nentes del

compresor y el equipo eléctrico, así como excesivas variaciones en carga, del suministro de

energía eléctrica.

Para compresores con una presión efectiva de trabajo de hasta 9 bares, en condiciones normales

de funcionamiento, el tama¬ño del tanque o depósito, en volumen, ha de ser aproximada¬mente

unas seis veces la capacidad del compresor en las mis¬mas unidades en segundos. Esto se aplica

a la válvula automáti¬ca de descarga, es decir, el motor girará continuamente, mientras que el

compresor será periódicamente descargado. La diferencia entre la presión de carga y la de

descarga no debe ser menor, en sus límites de 0,4 bares para cada etapa de descarga.

En compresores que funcionen con arranque y parada automáti¬co, la capacidad del depósito

debe ser seleccionada según la capacidad del compresor y el consumo de aire en la red, de forma

que arranque un máximo de 10 veces por hora, unifor¬memente repartidos en intervalos de seis

minutos. En este caso la diferencia de presión entre la de parada y la de arran¬que debería ser

mayor, del orden de 1 bar.

A presiones superiores, por encima de 9 bares, se permiten generalmente mayores diferencias de

presión. Por esta razón la capacidad del depósito puede reducirse. Las reglas expuestas para

calcular el volumen del depósito, presuponen una demanda uniforme de aire. El consumo ins-

tantáneo no debe sobrepasar la capacidad de la planta com¬presora.

En el caso de circuitos de aire comprimido con mu¬chos puntos de consumo, es normal que se

produzca un cierto equilibrio llegándose a una uniformidad en el consumo. A menos puntos de

consumo la uniformidad será inferior y nece¬sitaremos un depósito de mayor capacidad. Debido a

que el depósito de aire es también un colector de agua y aceite, debe ser dotado de una válvula de

drenaje (manual o automática).

Resumiendo, el tamaño de un depósito o acumulador de aire comprimido depende:

- Del caudal de suministro del compresor

- Del consumo de aire

- De la red de tuberías (volumen suplementario)

- Del tipo de regulación

- De la diferencia de presión admisible en el interior de la red

1.3.3.- REDES NEUMÁTICAS. INSTALACIÓN DE TUBERÍAS

La red de distribución de aire comprimido es el sistema de tubos que permite transportar la energía

de presión neumática hasta el punto de utilización. Sobre esta definición cabe realizar una serie de

aclaraciones, pues desde el punto de vista del ambiente podemos dividir la instalación en: externa

(instalada a la intemperie) o interna (corre bajo cubierta). Desde el punto de vista de la posición,

esta puede ser aérea o subterránea y desde la óptica de la importancia de distribución puede ser

primaria o secundaria.



Aquí nos ocuparemos de la res primaria y secundaria y en principio asumiremos que la red es

aérea e interna. Adelantamos que los principios que se aplican para este caso son generales y se

aproximan significativamente a los que habría que usar para los otros.

Las redes de distribución se dividen en tres grandes grupos típicos. (Aunque en la realidad pueden

aparecer combinados total o parcialmente), dependiendo de la finalidad elegiremos uno u otro.

Fig. 1. 17 - Tipos de redes neumáticas.

Después de los tratamientos necesarios a realizar sobre el aire, que aclararemos más adelante, el

aire evoluciona por la tubería de distribución, que debe cumplir unos requisitos importantes para el

correcto funcionamiento del sistema.

Fig. 1. 18 - Disposición de la línea principal y zonas de presión.

Esta debe presentar una leve caída hacia la parte posterior de alrededor de un 2% (0.5%). para

permitir el escurrimiento del agua. Que eventualmente podría haberse condensado, hacia un lugar

de evacuación.

Como la continua pendiente haría descender el tubo de distribución, más allá de lo aceptable si la

planta es muy larga, se acude a la solución que se muestra, que consiste en retornar la altura de

distribución y continuar la pendiente. El punto más bajo debe ser siempre utilizado para instalar un

conducto de purga y nunca para realizar una “bajada”. El motivo es obvio; queremos aire

comprimido y no agua a presión.

La bajada pertenece a lo que hemos llamado instalación secundaria y puede ocurrir que, si el

ambiente estuviera a una temperatura más o menos baja, ocurra alguna condensación. Es

conveniente entonces permitir que el aire desemboque directamente en un recipiente sin purga y la

derivación a la máquina se realice directamente a 90º como se indica. Este es el lugar donde

debemos instalar las unidades de mantenimiento que veremos después.

1) Pérdidas de carga

El diámetro de las tuberías debe elegirse de manera que si el consumo aumenta, la pérdida de

presión entre él depósito y el consumidor no sobrepase 10 kPa (0,1 bar). Si la caída de presión

excede de este valor, la rentabilidad del sistema estará amenazada y el rendimiento disminuirá

considerablemente. Siempre debe preverse una futura ampliación de la demanda de aire, por cuyo

motivo deberán sobredimensionarse las tuberías. El montaje posterior de una red más importante

supone grandes sobrecostes.

2) Dimensionado de las tuberías

El diámetro de las tuberías no debería elegirse conforme a otros tubos existentes ni de acuerdo

con cualquier regla empírica, sino en conformidad con: el caudal, la longitud de las tuberías, la

pérdida de presión (admisible), la presión de servicio, la cantidad de estrangulamientos en la red,…

En la práctica se utilizan los valores reunidos con la experiencia. Existen nomogramas que ayudan

a encontrar el diámetro de la tubería de una forma rápida y sencilla. En el capítulo 2 se verá con

detalle este aspecto.

1.3.4.- ACONDICIONAMIENTO Y TRATAMIENTO DEL AIRE COMPRIMIDO

En toda instalación neumática se hace necesario tratar el aire por varias circunstancias, no

necesariamente ajenas a la propia instalación. El aire atmosférico lleva consigo partículas nocivas

para los dispositivos de la instalación neumática. El compresor lleva filtros previos, pero no depura

el aire. Además, el aire también tiene cierta cantidad de vapor de agua, que puede llegar a

condensar y es necesario evacuar (purgar), si no, los componentes mecánicos del circuito sufrirán

una oxidación, además del desgaste por otras partículas.

Otro aspecto muy importante es que los actuadores también ensucian el circuito, ya que son los

componentes que enlazan el circuito con el exterior. En el desplazamiento del vástago de un

cilindro, en la carrera de retorno puede traer consigo partículas del exterior (polvo, virutas, etc.) e

introducirlas en el interior del cilindro. Ocurrido esto, podemos considerar que el aire del circuito

queda contaminado. Los cilindros están dotados de juntas rascadoras para evitar este suceso,

pero cuando el cilindro no es nuevo, la junta pierde eficacia por desgaste. Con esto queda claro la

importancia de un buen tratamiento del aire, para evitar desgastes y corrosiones de los

componentes.

Una vez que el aire ha superado al compresor, comienza la etapa de acondicionamiento industrial,

entendiendo por esto, los procesos a que debe ser sometido para que pueda ser utilizado sin

ningún riesgo mecánico ni químico, consiguiendo las prestaciones deseadas.

Vemos a continuación un sistema tipo para el acondicionamiento del aire, con sus componentes

(Fig.26).



Fig. 1. 19 - Esquema de elementos principales para acondicionamiento del aire [12].

Revisemos las tres partes en que se divide este esquema: la primera parte corresponde a la línea

principal, la segunda a la sub-línea y la tercera a la línea local.

• Línea Principal

Son los equipos A, B, C, D y E. Estos equipos podemos pensarlos como de uso obligatorio para

cualquier instalación.

Cuando el compresor aspira aire, se inicia un proceso de comprensión que siempre viene

acompañado por un aumento de la temperatura y por ciertas modificaciones en la humedad

relativa, densidad, etc.… para acondicionar previamente este aire, utilizamos estos componentes.

• Sub – Línea

Son los equipos F, G y H. Aquí comienza una primera hipotética distribución hacia tres grupos

característicos según grado de humedad requerido. Toda la distribución, antes de llegar a cada

rama, estaría evacuando la eventual condensación por el drenador automático. En el primer grupo

no se trata el aire que se distribuye pero se colocan drenadores.

En el segundo, en cambio, aparecen los secadores, cuya misión es retirar la mayor parte posible

del agua que no fue retirada por los equipos “aguas arriba”. Este proceso se conoce como “secado

al aire”, de ahí su nombre.

Los secadores por refrigeración son capaces de secar el aire hasta un punto de rocío de -17ºC

aproximadamente. El drenador sugerido se coloca como protección para el caso en el que el

secador salga de servicio o sea eliminado momentáneamente para su mantenimiento.

El tercer grupo de la sub-línea trata el aire para un punto de rocío de -30ºC. La instalación del

secador por adsorción se hace directamente en serie y se protege con un filtro J cuyas

características repasaremos en el punto siguiente.

• Línea Local

Cada uno de los grupos de la sub-línea continúa por las líneas correspondientes donde, antes del

consumo, se trata el aire de acuerdo con lo especificado y con respecto a sólidos, aceite y olor. La

asociación de filtros que se aprecia en algunas ramas sólo se hace a los efectos de prolongar la

vida útil del conjunto. De esta manera la filtración es progresiva y cada filtro trabaja dentro de su

escala de filtración aceptable. Insistimos en estos conceptos pues los consideramos muy

importantes.

Para finalizar, decir que estas combinaciones son las más frecuentes aunque no las únicas,

seguramente pueden encontrarse otras que se adapten más a un caso específico, apoyándose en

la estructura que hemos presentado. Por orea parte esa ha sido la intención al ofrecerla.

1) Filtro-Regulador-Lubricador. La unidad de Mantenimiento

• Filtros

El aire ambiente que aspira el compresor, contiene impurezas. A éstas, se le agregan las que el

propio compresor genera y también las que pueda encontrar en camino hacia los puntos de

distribución. Esas impurezas son de distinta índole y de distinto tamaño.

En un ambiente normal pueden encontrarse alrededor de 150.000.000 de partículas por m3 de aire

y que cerca de un 80% de estas tienen un diámetro medio de 2 micras (µm). Existen incluso

partículas como las de los aerosoles de aceite con tamaños de 0,01 µm. El tratamiento debe

responde en forma directa a las necesidades de calidad de aire pretendido: un suministro central

podría acondicionar el aire a la más alta calidad, pero muy probablemente esto no sea lógico ni

rentable. Resulta más cómodo y más barato, preparar todo el aire para una calidad media y

reacondicionarlo localmente según las necesidades.

El rol fundamental de cualquier filtro es el de “protector aguas abajo”. Con este concepto,

entenderemos, no solo la importancia del filtro sino también la razón de sus eventuales

combinaciones. Los filtros se dividen en dos grandes grupos: los estándares y los especiales.

Filtros Estándar

El filtro está construido de manera tal que imprime al aire comprimido entrante un movimiento de

rotación por medio del deflector de paletas eliminando los contaminantes como polvo y gotas de

agua por centrifugado, filtrando luego las partículas más pequeñas mediante un elemento filtrante

para que el aire comprimido procesado pueda fluir hacia la salida. Un deflector ubicado debajo

evita la turbulencia que podría arrastrar los contaminantes extraídos. Los elementos filtrantes se

clasifican por el tamaño de las partículas que interceptan, cubriendo un amplio rango, desde 2

hasta 100 µm, según los fabricantes. Cuando las gotas de condensado se depositan en el fondo

del vaso, por efecto ciclónico, se produce una acumulación de agua que debe ser eliminada. La

purga de este condensado puede ser manual o automática.

La elección correcta de un filtro estándar se realiza mediante la consideración tanto de la caída de

presión que origina para el caudal y presión considerado (área dispuesta para el filtrado), como del

volumen del vaso (facilidad operativa para el cambio).

• Regulación

La energía disponible está directamente relacionada con la presión del sistema y el gobierno debe

ejercerse controlando esta. Los componentes que permiten este control son los reguladores de

presión. Gracias a ellos podemos conseguir una presión menor a la que genera el compresor, que

adaptaremos a nuestras necesidades de trabajo.

Podemos distinguir dos presiones (o niveles de energía) diferentes: la que entrega la fuente

compresora y la que usamos para trabajar. Observemos que la primera puede ser variable,

obedeciendo en sus cambios a las posibilidades y regulación del compresor, mientras que la

segunda siempre deberá ser constante, pues para un aprovechamiento racional de la energía

neumática, necesitamos que esta se mantenga al mismo nivel.

Reguladores de Presión Estándar

Llamaremos así a los reguladores más comunes en automatización neumática.

Su funcionamiento se basa en el equilibrio de fuerzas en una membrana que soporta en su parte

superior la tensión de un resorte, que puede variarse a voluntad del operador por la acción de un

tornillo manual. Por su parte inferior, la membrana está expuesta a la presión de salida y por lo

tanto a otra fuerza, que en condición de descanso, resulta ser igual a la tensión del resorte.

Cuando la membrana está en equilibrio, la entrada de aire comprimido está cerrada. Si

desequilibráramos el sistema por aumento voluntario de la tensión del resorte, la membrana

descendería ligeramente abriendo la entrada de aire a presión hasta que se logre el equilibrio

perdido, solo que esta vez a la salida la presión será ligeramente mayor.

• Lubricación

La función de estos aparatos es incorporar al aire tratado una determinada cantidad de aceite,

para lubricar los actuadores neumáticos que, al fin y al cabo, son elementos mecánicos.

En todos los casos, las unidades de lubricación cuentan con un dispositivo que eleva el aceite y lo

incorpora pulverizado en la vena de aire. Esta elección puede controlarse externamente y la

energía para hacerlo, así como también la necesaria para su pulverización, se toma de la energía

del aire en circulación. Existen dos grandes grupos de lubricadores que se distinguen por el tipo de

niebla de aceite que producen: el estándar y el de microniebla.

El Lubricador Estándar

En este se produce una caída de presión provocada por la restricción del flujo. Esta caída produce

un desbalance de presiones que adecuadamente dirigido provoca la elevación de la columna de

aceite y su incorporación en la corriente de aire. Hay, al menos, tres dispositivos que permiten una

variación proporcional, ellos son: válvula de asiento, pistón y aleta flexible.

El problema de estos elementos reside en que la caída de presión está directamente relacionada

con el caudal en circulación. Esto limitaría a caudales pequeños si no existiera la posibilidad de

modificar la sección transversal en relación con la variación del caudal.

El tamaño de estos aparatos está directamente relacionado con el caudal disponible. Su capacidad

de lubricación está limitada aprox. a 7 m de recorrido por la tubería.

Por último, decir que normalmente encontramos siempre estos tres elementos (filtro, regulador y

lubricador) tanto al principio de la red (tras el compresor) como antes de cada punto de consumo.

A este conjunto de elementos se le conoce como unidad de mantenimiento, y dispone de un

símbolo específico (ver apartado 1.5).

Fig. 1. 20 - Unidad de mantenimiento combinada Marca SMC Serie AC20 [13].

Esta unidad dispone de un manómetro adicional para controlar la regulación de presión

Fig. 1. 21 - Sección de una unidad de mantenimiento (FRL) de propósito general [14].

1.3.5.- VALVULERÍA

Las válvulas neumáticas controlan o regulan el paso del aire comprimido y su clasificación se

efectúa por la función que desarrollan. Siguiendo las recomendaciones de CETOP, la norma DIN

24300 establece la siguiente división: Los diferentes tipos de válvulas existentes son: direccionales

o distribuidoras, de bloqueo, de presión, de caudal y de cierre. Veamos a continuación los

principales tipos de válvulas.

1) Válvulas direccionales o distribuidoras



Estas válvulas controlan el arranque, detención de la dirección del flujo neumático y con ello la

dirección del movimiento y las posiciones de detención de los motores o cilindros. La identificación

de las válvulas direccionales se realiza sobre la base de: Su constitución interna. Nº de posiciones,

Nº de vías (u orificios), accionamientos y Talla (caudal, presión, temperatura, marca, etc.)

Constitución

Las características constructivas de las válvulas son la que determinan su duración, fuerza de

accionamiento, modos de inversión, racordaje y fijación.

Segur la construcción de sus cierres, distinguimos los siguientes tipos:

Fig. 1. 22 - Clasificación válvulas direccionales.

Las válvulas direccionales por asiento son las más comunes; se abren o cierran por medio de

bolas, discos o conos de cierre perfecto. Los elementos de desgaste son pocos y de gran duración,

siendo insensibles al polvo y muy robustos. Permiten sólo dos posiciones y la fuerza de maniobra

es elevada.

Según su construcción, disponemos de tres tipos o subclases: de corredera, de disco y de asiento.

Cada una responde a una necesidad:

- De corredera: Con un émbolo móvil, encargado de obturar o liberar el paso del aire. Como gran

ventaja, necesitan poca energía para accionar la válvula, aunque tenga que vencer al rozamiento

por sus características constructivas.

- De disco: De accionamiento puramente manual, es un disco que se coloca manualmente sobre el

(los) orificio(s) de paso del aire al accionar una palanca.

- De asiento: Disponen en su constitución física de un obturador que se mueve en la misma

dirección del aire. Se usan para caudales o muy grandes o muy pequeños, para el resto de

caudales se suele usar las válvulas de corredera.

Representación esquemática

Para representar las válvulas direccionales en los esquemas, se utilizan los símbolos; éstos no dan

orientación alguna sobre su constitución interna, sólo indican su función.

Los conceptos principales en este apartado son la vía y las posiciones. El primero es orificio de

conexión externa que dispone la válvula. El número de vías coincide con las que encontramos

recorriendo la válvula perimetralmente. No se deben tener en cuenta los orificios de purga, o las

conexiones que disponga la válvula para su pilotaje. Las posiciones se refieren a las conexiones

internas que puede realizar según su diseño. Este número será el número de posiciones posibles.

Las válvulas distribuidoras se representan por cajas. La cantidad de cajas yuxtapuestas indica las

posibles posiciones, y las vías quedan representadas por las entradas y salidas de las líneas

interiores que atraviesan dichas cajas. Existen toda clase de combinaciones de canalizaciones:

“doble mando”, obturaciones, conexiones, escape común,…

Con el fin de reconocer cada conexión se identifican con números ó antiguamente con letras, pero

independientemente que nos encontremos planos antiguos o actuales, siempre veremos esta

nomenclatura escrita en la posición de reposo o inicial, y nunca se vuelve a escribir la

nomenclatura en la otra u otras posiciones (por claridad) y se utilizan de la siguiente forma:

- 1 ó P : Suministro de presión

- 3, 5 ó R, S : Escapes

- 2, 4 ó A, B : Utilización

En definitiva, con estos elementos, tenemos la posibilidad de “armar” una válvula.

Fig. 1. 23 - Ejemplos de diferentes válvulas distribuidoras.

El primer número representa las vías y el segundo las posiciones

Para definir completamente una válvula a través de su símbolo, es necesario incorporarle la forma

en que será accionada. Estos accionamientos pueden ser de tipo muscular, mecánico, eléctrico,

neumático o combinado.

Disponemos de dos tipos de accionamiento, los realizados de forma indirecta, mediante

electricidad o mecánica, y los accionamientos manuales o directos, con algún tipo de mecanismo

para que un operario interactúe. Asimismo, existen accionamientos mixtos: Manual o directo;

Servopilotado, semi-directo o semi-indirecto; e Indirecto (o pilotado).

En la figura siguiente observamos una válvula distribuidora completamente definida.

Fig. 1. 24 - Válvula 4/2 NC (Normalmente Cerrada).

Accionada por esfuerzo manual y retorno por muelle.

2) Válvulas de bloqueo

En primer lugar, diremos que este tipo de válvulas tienen la peculiaridad de accionarse ante unas

determinadas condiciones. Son válvulas con la capacidad de bloquear o permitir el paso del aire

comprimido cuando se dan ciertas condiciones en el circuito. En este tipo de válvulas

encontraremos:

- Antirretorno

- De simultaneidad

- De selección de circuito (selectoras)

- De escape.

En el bloque 3 veremos en detalle simulaciones de estos, con lo que no se explicarán aquí.

3) Válvulas de regulación

Son las válvulas para regular caudal y presión. En esta clase de válvula, nos encontramos con dos

maneras diferentes de regular la cantidad de aire o fluido: Por la entrada o por la salida, según

actuemos sobre el fluido entrante o saliente del actuador.

Sí quisiéramos controlar la velocidad de un cilindro, siempre lo haríamos mediante la regulación de

salida, porque admite todo tipo de carga, mientras que por la entrada no.

El funcionamiento de las válvulas reguladoras de caudal lo veremos en detalle en la simulación del

bloque 3. Las reguladoras de presión basan su funcionamiento en la deformación de una

membrana, que por un lado tiene la presión de entrada y por otro un resorte posicionable mediante

tornillo para controlar la regulación.

1.3.6.- ACTUADORES NEUMÁTICOS

Los elementos que permiten efectuar la transformación de la energía de presión transmitida por el

aire, en energía mecánica, es decir en trabajo, se denominan actuadores neumáticos. Existe una

clásica división, entre los elementos de trabajo neumático, basadas en sus posibilidades de

actuación: los elementos o actuadores de acción lineal y los de acción rotativa. Aunque, por otra

parte, se han desarrollado tantas formas y modelos que prácticamente todas las industrias han



encontrado una aplicación insustituible de los mismos.

Al tratar de generar un movimiento rectilíneo sin partir de uno de rotación, vemos bastante limitado

nuestro campo de acción. Entre los elementos posibles, después de un prolijo análisis, se

encuentran: el electroimán, el resorte, el plano inclinado (aprovechamiento de la gravedad) y

finalmente la energía de presión. Cada uno de los casos anteriores, salvo el último, no permite un

control sencillo del movimiento.

Un actuador neumático estándar adecuado para una instalación debe cumplir:

- Que exista en el tamaño que lo necesito (diámetro y longitud)

- Que su rozamiento interno sea lo más bajo posible y su vida útil sea lo más

larga posible

- Que su montaje o instalación sea simple y rápida

- Que existan gran variedad de diseños para adaptarlos a nuestra necesidad

- Que pueda utilizase con o sin lubricación

- Que resista los esfuerzos de tracción, compresión y térmicos sin deformarse.

1) Tipos de cilindros

• Cilindro simple efecto

Es un actuador capaz de recibir en una cámara una determinada cantidad de aire comprimido que

al expandirse, mueve un eje o vástago que realiza un trabajo mecánico. Se denomina de simple

efecto porque su “efecto”, es decir, el trabajo que origina, sólo se produce en un sentido. Este

trabajo se manifiesta a partir del movimiento de un eje o vástago del pistón, es así que, si el eje

está adentro saldrá y si está afuera entrará.

Fig. 1. 25 - Cilindro de simple efecto con retorno por muelle. Sección longitudinal.

El movimiento de reposición del vástago a su condición de equilibrio se realiza a través de un

resorte, que almacenó energía en la carrera de ida y lo devuelve en la de vuelta. Constatemos que,

en todos los casos, el cilindro de simple efecto recibe aire en una sola de las cámaras mientras

que la otra está constantemente conectada a la atmósfera.

Por otra parte, no siempre un actuador rectilíneo realiza su trabajo por desplazamiento de un

pistón, también puede hacerlo por deformación de una membrana. La figura siguiente nos muestra

un actuador construido con membrana. El área útil es significativamente grande y las cámaras de

estos aparatos son muy cortas. Reconocemos inmediatamente un par de aplicaciones para este

tipo de actuador: apertura y cierre de válvulas globo o esclusa y frenos de aire de camiones y

acoplados.

Fig. 1. 26 - Cilindros de membrana. Sección longitudinal [15].

No nos detendremos más aquí ya que en el bloque 3 se verá en profundidad este componente.

• Cilindro doble efecto

Este tipo de actuador es el más utilizado en automatización neumática, pues es muy versátil en

sus aplicaciones y muy sencillo de controlar. Su denominación obedece a la característica que

tienen de posibilitar el trabajo en los dos sentidos (avance y retroceso). Su construcción es similar

a los de simple efecto, pero sin resorte de reposición y requieren obligatoriamente estanqueizar las

dos cámaras.

Sus recorridos están normalizados y la fuerza que debe realizar es uno de los factores que limitan

esta carrera debido al fenómeno de pandeo. Por otra parte, diremos también que, la fuerza que

puede realizar en la carrera de avance es ligeramente mayor que la que realiza durante el

retroceso debido a la diferencia de área útil.

Fig. 1. 27 - Cilindro de doble efecto. Sección longitudinal.

Dispone de amortiguamiento en avance y retroceso

La figura anterior nos muestra un cilindro de doble efecto en posición de descanso (Fig.42).

Haciendo ingresar aire a presión en la cámara trasera y liberando el de la delantera a la atmósfera

logramos la salida del eje. La fuerza que desarrolla durante el movimiento dependerá de la presión

de alimentación y de la carga que deba mover. Su recuperación se consigue entregando aire a

presión en la cámara delantera y liberando el de la trasera.

Es importante tener en cuenta la inercia cuando las cargas son importantes. Por otra parte, el inicio

del movimiento no ofrece mayores problemas. No es así al final del movimiento, cuando se

produce un choque, que puede ocasionar daños graves.

Para evitarlo, se suele recurrir al “amortiguador de final de carrera”, que consiste en un montaje

interno del actuador con dos caminos para el aire, que hace que un instante antes de terminar la

carrera, el vástago, que transporta consigo un “buje-tapón” que lo rodea y está junto al pistón,

obtura completamente el camino fácil de salida del aire, permitiéndole su escape por un orificio de

sección generalmente regulable, que hace que la cámara contraria al movimiento eleve su presión

para generar una fuerza resistente capaz de frenarlo. Podríamos decir que es un artificio

obligatorio para actuadores cuyos diámetros superen los 50 mm.

• Otros tipos de cilindros

Existen otras configuraciones para cilindros neumáticos según las aplicaciones. Podemos

encontrar:

- Cilindros de doble vástago

- Cilindros tándem

- Cilindros de impacto

- Cilindros de giro

- …

Es importante conocer su existencia, aunque no se explicaran aquí para no ampliar en demasía

este apartado.

1.3.7.- MOTORES NEUMÁTICOS

Los motores neumáticos son unos elementos capaces de transformar la energía neumática en

energía mecánica. Existen muchas herramientas que funcionan con aire comprimido y necesitan

un motor, por ejemplo, taladradoras. Los motores neumáticos no solamente son útiles como



herramientas de trabajo, también tienen un uso industrial, aunque no sea lo más común, porque ya

existen los motores eléctricos, entre otras cosas. Sin embargo, en ciertas industrias, pueden llegar

a ser necesarios, por temas de seguridad o higiene.

Las principales ventajas que obtenemos del uso de motores neumáticos son:

- Compactos y livianos: Un motor neumático con la misma potencia que un motor

eléctrico pesa sólo una cuarta parte que éste y ocupa sólo una sexta parte de

espacio. Además, desarrollan mucha más potencia con relación a su tamaño y

peso que la mayoría de los otros tipos de motor.

- Sencilla instalación: Debido a lo dicho anteriormente.

- Fácil inversión del giro: Por medio de una válvula de control, funcionando con la

máxima eficiencia a derechas o a izquierdas.

- Par creciente con la carga: La potencia de un motor neumático es relativamente

constante dentro de una amplia gama de velocidad - cuando la velocidad se

reduce debido a un incremento de la carga, el par aumenta.

- Sin daños por sobrecargas: Los motores neumáticos se pueden ahogar

indefinidamente sin que se recalienten ni experimenten ningún otro tipo de daño.

También se pueden arrancar y parar repetidamente sin límite.

- Potencia ajustable: El par y la potencia de un motor neumático se pueden

ajustar progresivamente variando la presión de trabajo. Además, la velocidad

también se puede ajustar progresivamente en toda su gama variando el caudal

de aire.

- Robustez: Los motores neumáticos no se ven afectados por el calor, vibración,

corrosión o golpes. Su rendimiento en ambientes hostiles no puede ser igualado

por ningún otro tipo de motor. El diseño y construcción sencillos, con muy pocas

piezas móviles, aseguran una fiabilidad óptima y un mantenimiento mínimo.

- Resistencia a ambientes hostiles y agresivos: Al no generar chispas, resultan

ideales para zonas con riesgo de explosión y/o incendio. Además, su

construcción los hace ideales en ambientes salinos y otras atmósferas

corrosivas.

1) Tipos de motores neumáticos

Los motores neumáticos más típicos son de engranaje, de pistones y de paletas.

Los primeros son los más comunes, y son capaces de dar hasta 60CV de potencia. Están

considerados de bajo rendimiento, porque consume más energía que la que transmite.

Fig. 1. 28 - Esquema motor de engranaje [16].

Los de pistones consiguen potencias de hasta 30CV y los de paletas son el tipo de motor que se

usan en las herramientas, como lijadoras y taladradoras. Dan una potencia máxima de 20 CV, y

tienen unas velocidades de 3000 hasta 9000 r.p.m.

Fig. 1. 29 - Esquema motor de paletas [17].

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