La simple compresión del aire en el compresor y la posterior conducción neumática no son suficientes, ya que el aire contiene bastantes impurezas que pueden causar efectos dañinos en los equipos a emplear. Los principales enemigos de toda instalación neumática son: agua, aceite, polvo y suciedad.
Toda red de aire comprimido debe tener instalado un sistema o unidad de mantenimiento que garantice el suministro de aire libre de agua, aceite y partículas[5]
La conducción de aire comprimido[6]se realiza a través de una red. Se entiende por red de aire comprimido el conjunto de todas las tuberías que parten del depósito, colocadas de modo que fijamente unidas entre sí, y que conducen el aire comprimido a los puntos de conexión para los consumidores individuales.
En la actualidad la Universidad Antonio Nariño sede Bucaramanga cuenta con un sistema de generación, transporte y consumidores de aire comprimido, el cual es utilizado específicamente para el laboratorio de neumática.
El desarrollo de prácticas de laboratorio en control y automatización representa una parte esencial en el proceso de formación de los estudiantes en las áreas afines de la ingeniería mecánica eléctrica, ya sea de nivel técnico, superior o de entrenamiento industrial, y la dificultad para encontrar una bibliografía adecuada y específica para estos fines.
Frente al reto pedagógico de enseñar en la práctica en laboratorios que finalmente sean parámetros de referencia a implementar en la industria o de alguna manera punto de partida que garantice con el conocimiento adquirido en la universidad un desempeño idóneo en el medio laboral, a esto se debe la importancia de contar con equipos e instalaciones que se ajusten a los estándares nacionales e internacionales.
Los bajos estándares de diseño, mantenimiento e instalación, del sistema de generación y transporte de aire comprimido, producen deficiencias en el correcto uso de los equipos del laboratorio lo cual no permite que se puedan realizar las prácticas de laboratorio correspondientes a la asignatura de Electroneumática.
Es por esto que se hace necesario diseñar un sistema de producción y transporte de aire comprimido para el laboratorio de neumática de la universidad Antonio Nariño con sede Bucaramanga, para garantizar un correcto uso del actual laboratorio y desarrollar las prácticas de la asignatura de electroneumática.
Descripción del problema
El aprendizaje práctico es el mejor método pedagógico que se puede adoptar hoy por hoy en las instituciones educativas, por lo anterior, la importancia de la puesta en marcha y aplicabilidad de los diferentes laboratorios dentro de las asignaturas de la carrera de ingeniería electromecánica. En un estudio detallado que se realizo para la asignatura de Electroneumática en el semestre inmediatamente anterior, se analizo las actuales condiciones del sistema generador de aire comprimido de la UAN, encontrándose desorganización, diseño inadecuado y subutilización de los elementos que componen el laboratorio:
El cuarto del compresor no tiene puerta, ni sistemas de filtración para el aire de suministro al compresor.
El sistema eléctrico se encuentra fuera de estándares (cables sueltos, calibres no apropiados y sistema eléctrico sin protección, etc.)
La tubería de transporte de aire comprimido se encuentra en material PVC. (presión promedio 100 psi).
La red de aire comprimido carece de unidad de mantenimiento (secador, lubricador, medidor de presión, secadora, separador de partículas).
El tanque de almacenamiento no tiene sistema automático de drenaje de agua, la válvula de alivio no tiene la última fecha de calibración, el color de la pintura esta fuera de estándar, el manómetro esta fuera de servicio.
La red no tiene un cheque de flujo instalado, ni tampoco presenta sistemas de drenajes.
El motor del compresor presenta fugas de aceite.
No existe la conducción al exterior de los condensados que salen del drenaje del tanque de almacenamiento de aire comprimido.
El actual sistema de generación y la red de conducción y consumo de aire comprimido por parte del laboratorio de neumática, presenta deficiencias en el uso de los estándares adecuados, poniendo en riesgo la integridad de los estudiantes en la operación y manipulación de el equipo compresor, lo cual demuestra que los estándares mínimos de seguridad no se han tenido en cuenta en la actual instalación, al igual que los problemas ecológicos que presenta por las fugas de aceite, agua, y ruido que se generan en la operación e impidiendo el uso adecuado del laboratorio.
En la actualidad la Universidad Antonio Nariño sede Bucaramanga cuenta con un sistema de generación, transporte y consumidores de aire comprimido, el cual es utilizado específicamente para el laboratorio de neumática.
El actual laboratorio de electroneumática de la UAN se encuentra en un estado teórico. Las condiciones de los equipos actuales con los cuales cuenta el laboratorio de electroneumática se encuentran fuera de los estándares requeridos para la óptima utilización y aprendizaje, el cual impide el uso adecuado del laboratorio de electroneumática.
Teniendo en cuenta que un laboratorio pedagógico se debe ajustar a los estándares de la industria[7]que contempla unidad productora de aire limpio y seco, un sistema de conducción de aire libre de fugas, que contenga, secadora, lubricador y filtro de agua, debidamente pintado y marcados, al igual que unos consumidores libres de fugas y agua, y que operativamente respondan de acuerdo al diseño y el equipo.
Es por esto que al realizar un análisis de las instalaciones actuales del sistema de aire comprimido para el laboratorio de electroneumática de la UAN sede Bucaramanga, se identifican las siguientes dificultades operacionales y de diseño[8]
El cuarto del compresor no tiene puerta, ni sistemas de filtración para el aire de suministro al compresor.
El compresor no se encuentra empotrado.
La iluminación es deficiente.
El sistema eléctrico se encuentra fuera de estándares (cables sueltos, calibres no apropiados y sistema eléctrico sin protección, etc.)
El cuarto presenta desaseo y sirve de almacenamiento para elementos diferentes a los de generación de aire comprimido.
La tubería de transporte de aire comprimido se encuentra en material de plástico. (presión promedio 100 psi).
La tubería de conducción de aire comprimido no se encuentra adecuadamente empotrada o sujetada a la pared ni tampoco pintada del color normatizado.
La red de aire comprimido carece de unidad de mantenimiento (secador, lubricador, medidor de presión, secadora, separador de partículas)
El tanque de almacenamiento no tiene sistema automático de drenaje de agua, la válvula de alivio no tiene la última fecha de calibración, el color de la pintura esta fuera de estándar, el manómetro esta fuera de servicio.
La red no tiene manómetro que permita ver la presión de almacenamiento y la de trabajo.
La red no tiene un cheque de flujo instalado, ni tampoco presenta sistemas de drenajes.
En el laboratorio no existe manómetro en el cual se pueda identificar la presión de trabajo.
No tiene el tanque instalado un presostato que permita el arranque y paro automático del motor de la unidad compresora.
El motor del compresor presenta fugas de aceite.
No existe la conducción al exterior de los condensados que salen del drenaje del tanque de almacenamiento de aire comprimido.
1.1 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
La actual red de generación, conducción y consumo de aire comprimido por parte del laboratorio de neumática, ubicada en las instalaciones de la Universidad Antonio Nariño sede Bucaramanga presenta deficiencias en el uso de los estándares adecuados para el buen uso de estos equipos, poniendo en riesgo de accidente a los estudiantes por la operación y manipulación de el equipo compresor, lo cual demuestra que los estándares mínimos de seguridad no se han tenido en cuenta en la actual instalación, al igual que los problemas ecológicos que presenta por las fugas de aceite, agua, y ruido que se generan en la operación. De igual manera esto conlleva a altos costos por la baja productividad del equipo presentado por fugas de aire en el sistema, derrames de aceite, y mala calidad en el suministro del aire al laboratorio, lo que origina deterioro y daño a corto plazo de los equipos de neumática, creando un vacío en el correcto desarrollo de la materia de Electroneumática.
Justificación
Para garantizar un profesional competitivo en el mercado de la industria mecánica se hace necesario entre otros tener sólidos conocimientos de automatización y neumática y para esto es necesario proveer a los estudiantes de oportunidades de aprendizaje a través de laboratorios que se ajusten a los requerimientos de la industria actual.
Frente al reto pedagógico de enseñar en la práctica en laboratorios que finalmente sean parámetros de referencia a implementar en la industria o de alguna manera punto de partida que garantice con el conocimiento adquirido en la universidad un desempeño idóneo en el medio laboral, a esto se debe la importancia de contar con equipos e instalaciones que se ajusten a los estándares nacionales e internacionales.
Los bajos estándares de diseño, mantenimiento e instalación, del sistema de generación y transporte de aire comprimido, producen deficiencias en el correcto uso de los equipos del laboratorio lo cual no permite que se puedan realizar las prácticas de laboratorio correspondientes a la asignatura de Electroneumática.
Las caídas de presión del sistema originan fallas en los procesos normales de funcionamiento en los equipos del laboratorio y baja en la calidad, esto es por lo general debido a las fugas del sistema y mala calidad del sistema de generación[9]
El mal diseño de la red de conducción de aire comprimido origina problemas en la calidad de los diferentes procesos[10]
En la actualidad no se hace uso del laboratorio de electroneumatica por la falta de adecuación de los equipos y el suministro de aire comprimido bajo estándares de la industria actual, que son aire seco, lubricado y limpio a una presión constante.
Es de carácter prioritario que en el desarrollo de la asignatura de electroneumática se complemente con el ejercicio práctico de actividades en el laboratorio, garantizando de esta manera un aprendizaje integral.
En las actuales condiciones en que se encuentra el laboratorio, no es viable desarrollar práctica, ya que presenta problemas de seguridad industrial para los alumnos, por ejemplo: El tanque de aire comprimido no presenta fecha de calibración del presostato, el piso del laboratorio se encuentra levantado, los acoples de las mangueras del sistema neumático de los equipos no garantizan un acople adecuado, la tubería de conducción de aire comprimido es en PVC, no existe indicador de presión de pulmón de aire comprimido en el cuarto del laboratorio, las conexiones eléctricas son precarias y el sistemas de protección a sido recargado con conexiones externas, etc.
Objetivos
3.1 OBJETIVO GENERAL
Diseñar y calcular el sistema de producción y transporte de aire comprimido del laboratorio de neumática de la universidad Antonio Nariño en la sede Bucaramanga, para garantizar un correcto uso del actual laboratorio y desarrollar las prácticas de la asignatura de electroneumática.
3.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS
Calcular el flujo necesario de aire comprimido que permita garantizar un óptimo funcionamiento de los diferentes elementos de los cuales está compuesto el laboratorio de electroneumática.
Calcular la red de aire comprimido.
Dimensionar el compresor para el suministro de aire comprimido para el laboratorio de electroneumática.
Dimensionar del tanque de aire comprimido.
Calcular la unidad de mantenimiento y equipos necesarios que garanticen un aire comprimido limpio, seco y lubricado.
Diseñar el sistema eléctrico de alimentación al equipo generador de aire comprimido y de control.
Conceptos básicos de neumática
El uso del aire comprimido es muy común en la industria, su uso tiene la ventaja sobre los sistemas hidráulicos de ser más rápido. En general una red de aire comprimido de cualquier industria cuenta con los siguientes dispositivos:
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.
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.
Postenfriador: Es el encargado de eliminar gran parte del agua que se encuentra naturalmente dentro del aire en forma de humedad.
Tanque de almacenamiento: Almacena energía neumática y permite el asentamiento de partículas y humedad.
Filtros de línea: Se encargan de purificar el aire hasta una calidad adecuada para el promedio de aplicaciones conectadas a la red.
Secadores: Se utilizan para aplicaciones que requieren un aire sumamente seco.
Aplicaciones con sus purgas, unidades de mantenimiento (Filtro, reguladores de presión y lubricador) y secadores adicionales.
Redes de aire comprimido: Reconocemos como una red de distribución de aire comprimido al sistema que permite transportar la energía de presión neumática hasta los puntos de utilización.
Aire Comprimido[11]Dentro de las aplicaciones industriales, los componentes que utilizan fluidos a presión van tomando una gran preponderancia y su aceptación se universaliza cada vez más a medida que se van desarrollando nuevas aplicaciones. Es por esta razón que el aire comprimido se ha convertido en la segunda fuente de energía utilizada en la industria, después de la energía eléctrica, ahora otra gran fuente es el gas.
Si se pregunta por qué el aire comprimido, la respuesta es por su velocidad y su rapidez de respuesta de trabajo. Su acción no es tan rápida como la eléctrica, pero si es notablemente más rápida que la hidráulica. Por otra parte podemos pensar que la energía neumática tiene como materia prima el aire atmosférico el cual se puede tomar en la cantidad necesaria, totalmente gratuito, para comprimirlo y transformarlo como fuente de energía.
El aire atmosférico es un gas incoloro, insaboro e inoloro, compuesto por una mezcla de gases, que posee todos los elementos de la tabla periódica, y también vapor de agua. La presión atmosférica es entonces la fuerza que ejercen los once Kilómetros de estos gases atmosféricos, sobre el aire de la superficie terrestre.
Se definen algunos términos claves con los que se trabaja e identificaran los parámetros de operación.
Presión de aire:
La presión se define como la fuerza que actúa sobre unidad de superficie.
Donde P para el sistema inglés (lbf/in2) y para el sistema internacional (kgf/cm2).
Al confinar un gas en un recipiente, el choque de las moléculas entre si y con las paredes del recipiente es lo que origina la presión. Al comprimir el gas paulatinamente se aumentará el choque de las partículas, por tener menos área de acción, aumentando por ende la presión. La presión es usualmente medida por un manómetro que registra la diferencia entre la presión en un recipiente y la presión atmosférica. La presión tomada en el manómetro no es la presión verdadera, para obtener la presión verdadera es necesario adicionar la presión manométrica.
Presión barométrica o atmosférica: Es la presión atmosférica absoluta existente en la superficie de la tierra, varía con la altitud y con el contenido de vapor de agua. A nivel del mar es 14.69 PSI.
Figura 1. Presión barométrica o atmosférica
Fuente. Conceptos de Neumática e Hidráulica en la industria, Manual de neumática de FMA Pokorny Francfort
Presión manométrica o relativa. La presión relativa es la medida de presión sobre la presión atmosférica, es la que se indica en los manómetros PSIG (Pound Square Inche Gauge).
Presión absoluta. La presión absoluta es la medida de presión sobre el cero absoluto o vacío absoluto.
Vacío. Es la presión resultante por debajo de la presión atmosférica, es la presión negativa. Normalmente la presión de vacío se expresa en pulgadas de agua o de mercurio.
4.1 TEMPERATURA
Por estar en continuo movimiento, las moléculas poseen energía cinética que es la verdadera indicación de temperatura, por ende el calor es la energía cinética de las moléculas.
Por lo anterior se concluye que cuando las moléculas quedan inmóviles tendrían temperatura de cero absoluto, el cual es el punto de partida para las escalas termodinámicas o absolutas de temperatura.
Cero absoluto = -273.15° C
= -460° F
Al recordar las escalas absolutas son: grados Rankine (°R) o grados Kelvin (K).
De otra forma el cero absoluto es aquella temperatura que se presentaría en el caso de que todo el calor se remueva del material (energía cinética es cero) o la temperatura, a la cual teóricamente el volumen del gas sería cero.
4.2 HUMEDAD RELATIVA
La humedad relativa normalmente se considera cuando se trata del aire atmosférico, para efectos de cálculos es la relación entre la presión parcial de vapor actual en la mezcla aire-vapor y la presión de vapor saturada a la temperatura de bulbo seco en la mezcla, igualmente se expresa en porcentaje.
Para hacer las correcciones necesarias por humedad relativa se utiliza la siguiente expresión:
H.R = (Presión parcial de vapor) / (Presión de vapor saturado)
La presión de vapor saturada se obtiene dependiendo de la temperatura ambiente.
Figura 2. Corrector humedad
Fuente: Conceptos de Neumática e Hidráulica en la industria, Manual de neumática de FMA Pokorny Francfort
4.3 CAPACIDAD
La capacidad es el parámetro básico para la especificación de los compresores, y es la cantidad de aire en la unidad de tiempo que suministra el compresor entre las presiones de trabajo.
Las unidades que se maneja generalmente entre los fabricantes de equipos son:
Sistema Inglés: CFM ( Cubic Feet Per Minute).
Sistema internacional: Nm3/ min. (Normal Cubic Meter Per Minute).
En los catálogos de fabricantes se encuentran las siguientes especificaciones.
CFM: Pies cúbicos por minutos
Esta especificación es utilizada únicamente para referirse al desplazamiento teórico del pistón, esto es para compresores reciprocantes o de pistón, es el volumen físico del cilindro. Nunca debe usarse para especificar un equipo y que solo indica el volumen por tiempo, pero no indica que condiciones.
SCFM: Pies cúbicos por minuto estándar.
Se refiere al aire atmosférico a condiciones estándar que son:
14.696 PSIA ó 1.01 Bar
60° F ó 16° C
0% Humedad relativa (H.R)
NCFM: Pies cúbicos por minuto normal
Se utiliza para referirse a las condiciones normales de aire atmosférico, a saber.
14.696 Psia ó 1.01 Bar
68° F ó 20° C
36% Humedad relativa (H.R)
ACFM: Pies cúbicos por minuto actual
Referido para indicar el aire realmente entregado a las condiciones de admisión del compresor, o sea a las condiciones del sitio de funcionamiento del equipo, tomando antes del filtro de admisión.
ICFM: Pies cúbicos por minuto a la admisión
Se refiere al aire atmosférico suministrado por el equipo, tomado en la admisión, o sea después del filtro.
En conclusión, dependiendo del prefijo que denote la unidad de caudal se establecen las condiciones del cálculo:
S: Condiciones estándar (Norma América)
N: Condiciones normales (Norma Europea)
A: Condiciones actuales (Medio ambiente en el sitio de instalación del compresor)
I: Condiciones a la admisión (en la brida de la admisión)
4.4 AIRE LIBRE
Las cantidades en SCFM ó Nm3/ min que se dan generalmente en los catálogos para el consumo de aire por las herramientas neumáticas o equipos. Se refieren al aire libre por minutos (aire atmosférico a la presión y a la temperatura estándar o normal).
El dato sobre la capacidad del compresor que da el fabricante debe estar también referido el aire libre, con el objeto que exista una correspondencia entre consumo y capacidad. Como no es posible medir el aire a la admisión los fabricantes toman el aire libre a la salida del compresor y mediante fórmulas lo llevan a la admisión y es así como especifican la capacidad del compresor. A veces se presenta errores porque se selecciona un equipo basado en aire libre, por ejemplo, se mide el volumen de un cilindro neumático, pero este volumen ya va a estar comprimido entonces habría que llevarlo a aire libre; para hacer esta relación se tiene la siguiente expresión.
Vr = Volumen real de aire libre
P1 = Presión atmosférica del lugar
P0 = Presión atmosférica estándar /normal
Para llevar el caudal de aire estándar o normal a las condiciones reales se utiliza la formula:
donde,
ACFM = Caudal real
Q0 = Caudal en condiciones estándar o normal
P0 = Presión atmosférica estándar /normal
P1 = Presión atmosférica del lugar de trabajo
H.R = Humedad relativa del lugar
Pv = Presión de vapor
T1 = Temperatura del sitio de trabajo, en K ó R
T0 = Temperatura estándar o normal, en K ó R.
Compresión de aire. La compresión de aire tiene un propósito básico que es el de suministrar un gas a una presión más alta del que originalmente existía. El incremento de presión puede variar de unas cuantas onzas a miles de libras por pulgada cuadrada (PSI) y los volúmenes manejados de unos pocos pies cúbicos por minuto (CFM) a cientos de miles. La compresión tiene variedad de propósitos:
Transmitir potencia para herramienta neumática.
Aumentar procesos de combustión.
Transportar y distribuir gas.
Hacer circular un gas en un proceso o sistema.
Acelerar reacciones químicas.
Métodos de compresión. Se usan cuatro métodos para comprimir un gas. Dos están en la clase intermitente y los otros dos en la clase de flujo continuo, estos métodos son:
Atrapar cantidades consecutivas de gas en algún tipo de encerramiento, reducir el volumen incrementando la presión para después desalojar el gas del encerramiento.
Atrapar cantidades consecutivas de gas en algún tipo de encerramiento, trasladarlo sin cambio de volumen a la descarga y comprimirlo por contra flujo.
Comprimir el gas por la acción mecánica de un impulsor o un motor con paletas en rápida rotación, que imparten velocidad y presión al gas que esta fluyendo.
Alimentar el gas en un chorro de alta velocidad del mismo o diferente gas y convertir la alta velocidad de la mezcla a presión en un difusor.
Los compresores que usan los métodos 1 y 2 son de la clase intermitente y se conocen como compresores de desplazamiento positivo. Aquellos que usan el método 3 se conocen como compresores dinámicos y los empleados en el método cuatro se denominan eyectores.
Tipo de compresores. Se tienen dos grupos básicos de compresores. En los de desplazamiento positivo (flujo intermitente) el aumento de presión se consigue confinando el gas de un espacio cerrado, donde posteriormente el volumen se reduce por una acción mecánica. En los compresores de flujo continuo dinámico el aumento de presión se obtiene comunicando energía cinética al flujo constante de gas y convirtiendo esta en energía de presión por medio de un difusor.
Se describen a continuación los compresores reciprocantes, de tornillos rotativos y centrífugos, puesto que son los más utilizados en la industria.
Compresores reciprocantes. Son máquinas en las cuales la compresión y el desplazamiento se efectúan por la acción positiva de un pistón que está reciprocando dentro de un cilindro.
El elemento básico de compresión reciprocante es un simple cilindro comprimiendo un solo lado del pistón, esto es para compresor de simple efecto. Una unidad comprimiendo en los lados del pistón es de doble efecto.
El compresor reciprocante usa válvulas automáticas de resorte que se abren únicamente cuando la presión diferencial adecuada existe a través de la válvula.
Las válvulas de admisión se abren cuando la presión en el cilindro es ligeramente menor a la presión de admisión. Las válvulas de descarga se abren cuando la presión en el cilindro está un poco por encima de la presión de descarga.
El funcionamiento de las válvulas es asistido por pequeños muelles que ayudan a acelerar el movimiento de cierre.
El diseño y calidad de la válvula son decisivos para muchos de los datos de funcionamiento del compresor tales como el consumo específico, el rendimiento volumétrico, los costos de mantenimiento y la vida de servicio.
Muchos problemas de compresión involucran condiciones que están más allá de la capacidad de una sola etapa de compresión. Una alta relación de compresión (la presión de descarga absoluta divida por la presión absoluta de admisión) puede causar una temperatura de descarga excesiva u otros problemas.
Por lo tanto se hace necesario combinar elementos o grupos de elementos en series para conformar una unidad multi-etapa, en el cual habrá dos o más pasos de compresión. El gas frecuentemente es enfriado entre etapas para reducir la temperatura y el volumen que entra a la siguiente etapa. Los cilindros están proporcionados de acuerdo a la relación de compresión total, las etapas se van reduciendo en volumen proporcionalmente, puesto que el gas ha sido comprimido parcialmente y enfriado en la etapa anterior, y por lo tanto ocupa menos volumen. De acuerdo con las experiencias que se han tenido en la industria, una buena rentabilidad del equipo se obtiene trabajando en los siguientes rangos de presión, de acuerdo con el número de etapas:
0- 80 PSIG Una etapa
80- 200 PSIG Dos etapas
200 ó más PSIG Tres etapas ó más
Las partes de un compresor de simple efectos con dos etapas y uno de doble efecto y una etapa se muestran en la figura 3.
Figura 3. Compresor de pistón de simple efectos
Fuente: Conceptos de Neumática e Hidráulica en la industria, Manual de neumática de FMA Pokorny Francfort
4.5 COMPRESORES ROTATIVOS DE TORNILLO
En el mercado se conocen comúnmente con el nombre de compresores de tornillo. Es una máquina con dos rotores que comprime gas entre las cámaras de los lóbulos helicoidales entrelazados y la carcasa. El elemento básico es la carcasa en su ensamble de rotores. Los lóbulos en los rotores no son idénticos. El rotor que tiene cuatro lóbulos convexos se denomina rotor macho y el rotor que tiene seis lóbulos cóncavos se llama hembra.
El rotor macho o guía (rotor principal) consume alrededor del 85 al 90% de la potencia y el hembra o guiado requiere a lo sumo sólo del 10 al 15% de la potencia total.
En este tipo de compresores el gas se comprime y se desplaza con una rotación de presión estable. La carencia de válvula de aspiración e impulso y la inexistencia de fuerza mecánicas desequilibradas, hacen que el compresor de tornillo pueda funcionar a altas revoluciones.
Existen dos tipos de estos compresores, uno usa piñones acoplados para mantener los dos rotores en fase todo el tiempo. Esta clase no requiere lubricación y el sello entre lóbulos lo hacen las pequeñas tolerancias. El segundo tipo usa un baño de aceite a lo largo de la máquina para lubricar, sellar y enfriar el gas comprimido.
Estas unidades tienen compresión interna. La relación de compresión se determina o diseña de acuerdo con la localización de los bordes de las entradas, la abertura de descarga y el ángulo de enrollamiento de los lóbulos.
La operación de compresión en la cámara de aire:
El bolsillo de rotor guiado está totalmente abierto y se llena con el gas de admisión. El bolsillo del rotor principal está abierto hacia la admisión. Pero todavía no está lleno en toda su longitud.
El bolsillo del rotor guiado se ha cerrado y el bolsillo del rotor principal se ha llenado, pero aún está abierta la admisión.
Los lóbulos se han entrelazado, los bolsillos que casan se juntan y empieza a acortarse.
El bolsillo de la espiral se hace más pequeño. El gas se comprime a medida que es desplazado manualmente hacia el extremo de descarga. A lo largo de la secuencia de 1 a 4 la cubierta del extremo de descarga ha sellado el bolsillo.
La descarga ha sido descubierta y el gas comprimido se descarga.
Es posible tener doble-etapa haciendo un arreglo de máquinas en serie. Ocasionalmente las dos etapas están en la misma carcasa conectadas por ductos internos.
En la figura se ilustra el ciclo de compresión en un compresor rotatorio de tornillos. En este equipo existen tres circuitos a saber un circuito eléctrico, un circuito de aceite y por último un circuito de aire. Se hará énfasis en los dos últimos.
Inicialmente el aire atmosférico entra a la unidad a través del filtro de admisión. El aire entra a la unidad por el vacío que generan los rotores al girar en sentido inverso.
Se realiza la compresión de la mezcla aire / aceite en la unidad.
La mezcla aire / aceite ya comprimida se descarga de la unidad compresora, pasa por el cheque para entrar al módulo del elemento separador. El cheque sirve como prevención, puesto que el flujo de la mezcla se realiza por presión diferencial. Al existir un corte de energía el aceite tiende a salir por admisión, ya que es donde hay menor presión, reteniendo el cheque a la descarga.
El módulo separador realiza la separación de aire y aceite. La mezcla entra por la parte inferior del módulo en forma tangencial, creando un movimiento circular a la mezcla. Las partículas de aceite que son más pesadas se decantan en el fondo del módulo. Pequeñas cantidades de aceite aún siguen el trayecto con el aire entrando a un elemento separador de fibra coalescente que es donde se realiza la separación total de aire y aceite. El efecto coalescente consiste en tomar la neblina del aire / aceite hacerla pasar por varios orificios que se concentran en un solo orificio generando así más gotas de aceite y dejar pasar sólo aire comprimido. Es en el módulo separador donde se originan los dos circuitos: de aire y de aceite.
Circuito de aire. Siguiendo con el trayecto del aire, al salir del módulo pasa por un post-enfriador, el cuál puede ser con intercambiador de aire/ agua o aire/ aire tipo radiador. Con el intercambiador de calor aire/ agua generalmente se logra una diferencia de temperatura fría de 25° F y en el intercambiador aire/ aire 15° F.
Por último el aire pasa por una trampa con drenaje automático, que retiene parcialmente el condensador de aire al ser enfriado, para ser suministrado a la planta.
Circuito de aceite. Recordemos que el aceite tiene triple función: sellar, enfriar y lubricar. Al salir del módulo el aceite pasa por una válvula termostática, en la cual se define que cantidad de aceite debe ser enfriado, debido a que todo el aceite no puede ser enfriado ya que hay que mantener una temperatura de compresión estable para evitar posibles condensados de aire en la unidad y crear cavitación.
La cantidad de aceite que se necesita enfriar se hace pasar por el intercambiador de calor aire/ agua o aire/ aire.
Al salir del intercambiador se pasa por el filtro aceite, donde se retienen las posibles suciedades.
Después de filtrado el aceite llega a un distribuidor, donde se reparte el aceite a los rodamientos, engranajes y a la unidad. Para las unidades de tornillo no lubricamos se utiliza un enfriamiento por agua, para remover el calor de compresión. El sistema de control de capacidad se hace normalmente por un sistema electro-neumático mecánico. Aunque en los últimos años se han lanzado al mercado compresores de tornillo controlados con un microprocesador, con el cual se tiene un considerable ahorro de energía.
El sistema de control gobernado con un microprocesador, se logra por un transductor instalado en el equipo, el cual toma todas las señales y las convierte en electrónicas. El panel de control tiene un seleccionador donde se escoge el parámetro a chequear, el cual mediante un mensaje alfanumérico presenta el valor de operación.
Figura 4. Compresores rotativos de tornillo
Fuente: Conceptos de Neumática e Hidráulica en la industria, Manual de neumática de FMA Pokorny Francfort
4.6 COMPRESORES DE FLUJO CONTINUO
En este tipo de compresores el tema se centralizará en los compresores dinámicos centrífugos, ya que los demás compresores por su aplicación especial y escasa no son del caso mencionarlos.
Compresores dinámicos. La compresión en un compresor dinámico depende de la transferencia de energía que se le entrega al gas por medio de un juego de aspas girando. El rotor cumple con esta transferencia de energía cambiando el momentum y la presión del gas. El momentum, relacionado con la energía cinética, es convertido en energía de presión útil mediante la desaceleración del gas corriente bajo. Un difusor estacionario o en otro juego de aspas.
Los compresores dinámicos no requieren lubricación interna y pueden suministrar aire libre de aceite.
Figura 5. Compresor dinámico
Fuente: Conceptos de Neumática e Hidráulica en la industria, Manual de neumática de FMA Pokorny Francfort
Compresor centrífugo. El compresor centrifugo tiene un impulsor con alabes radiales o inclinados y hacia atrás. El gas es obligado a pasar a través del impulsor por la acción mecánica de los alabes. La velocidad generada se convierte en presión, parcialmente en el impulsor (la cantidad depende del diseño) y parcialmente en los difusores estacionarios que se encuentran inmediatamente después del impulsor. Se muestra en ambas secciones radial y longitudinal un compresor centrífugo de una etapa. Este utiliza un difusor radial y un colector de gas tipo voluta terminado en un difusor de voluta.
Los compresores centrífugos multi-etapa utilizan dos o más impulsores dispuestos para flujo en serie, cada uno con difusor radial y canal de retorno separando los impulsores.
Para comprender mejor el ciclo de compresión en este tipo de compresores, sigamos el flujo de gas.
El aire tiene su entrada por el centro del impulsor el cual imparte velocidad al gas, la dirección que toma es radial. La admisión se da por que se crea un vacío en la boca del compresor, debido al perfil que tienen los alabes.
El aire es dirigido al difusor, que es donde la totalidad de la energía cinética se convierte en presión. Este cambio se debe al choque de las partículas con la pared del difusor. Este principio se puede experimentar fácilmente si usted le pone la mano al flujo de aire que genera un ventilador. En la mano se siente el choque y en la cara posterior se siente presión. Al salir del difusor el gas sigue la dirección, para entrar al interenfriador aire/ agua, en este caso de seis pasos, en este punto se disipa el calor de compresión. El condensado de agua es removido por trampas con drenaje automático.
El aire entra a la segunda etapa, el impulsor es de menor diámetro debido a que el volumen se ha reducido, el gas se comprime bajo el mismo principio que en la primera etapa. El aire después de pasar por el difusor de la segunda etapa entra al post-enfriado donde el aire comprimido es ya suministrado a la planta.
La relación entre etapas se determina en función del cambio de velocidad y de la densidad del gas, los intercambios de calor se hacen voluminosos debido a que estos tipos de compresores son muy sensibles a la caída de presión. Las unidades centrífugas comercialmente operan en su mayoría a unas 20000 revoluciones por minuto con fuerte tendencia a aumentar, la cantidad mínima de un compresor centrífugo está limitada principalmente por el flujo de la última etapa. Como límite práctico se puede emplear 340 pies cúbicos por minuto en modelos de carcasa con participación horizontal.
Figura 6. Compresor centrífugo
Fuente: Conceptos de Neumática e Hidráulica en la industria, Manual de neumática de FMA Pokorny Francfort
Cálculo del flujo y de la red de aire comprimido para el laboratorio de electro-neumática
5.1 INTRODUCCIÓN
Antes de iniciar el proyecto de una instalación de aire comprimido, tenemos que verificar que tipo de calidad del aire tenemos que tener para una determinada aplicación.
El objetivo de la instalación red de aire comprimido y unidad generadora de aire es suministrar la presión y el caudal necesario para el laboratorio de electroneumática de la universidad Antonio Nariño.
Por otra parte, nos interesa mantener la presión de trabajo desde que sale del compresor hasta el último punto, más alejado, de trabajo, esto incide directamente en el beneficio económico de la instalación.
En general una red de aire comprimido de cualquier industria cuenta con los siguientes dispositivos:
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.
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.
Postenfriador: Es el encargado de eliminar gran parte del agua que se encuentra naturalmente dentro del aire en forma de humedad.
Tanque de almacenamiento: Almacena energía neumática y permite el asentamiento de partículas y humedad.
Filtros de línea: Se encargan de purificar el aire hasta una calidad adecuada para el promedio de aplicaciones conectadas a la red.
Secadores: Se utilizan para aplicaciones que requieren un aire sumamente seco.
Aplicaciones con sus purgas, unidades de mantenimiento (Filtro, reguladores de presión y lubricador) y secadores adicionales.
Lubricador: Contiene un deposito de aceite que es dosificado por la línea de aire para permitir la lubricación de los elementos neumáticos o mecanismos dentro de los cilindros.
Regulador de presión: elemento que acondiciona finalmente el suministro de aire comprimido.
La selección de los diámetros para las tuberías que conducen aire comprimido está determinada según los principios de la mecánica de fluidos.
El material más usado en las tuberías de aire es el acero. En general la tubería de una red no necesita mantenimiento fuera de la corrección de fugas que se producen más 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 muy común. El diseño de cualquier instalación de aire comprimido sigue una serie de pasos
Secuenciales básicos. En general, se pueden describir de la siguiente manera:
Localizar e identificar cada proceso, estación de trabajo, máquina o equipamiento que utiliza aire comprimido dentro de la nave o recinto industrial sobre el que se proyecta la ejecución de una red de suministro de aire comprimido. Esta es la carga total que va a soportar la instalación a diseñar. Es recomendable situarlos en un plano y hacer un listado detallado de los mismos.
Determinar el consumo de aire que se necesita en cada uno de esos elementos.
Determinar el valor de presión necesaria en cada uno de esos puntos de consumo.
Determinar los requisitos de cada elemento con respecto al máximo nivel de humedad, de partículas y de contenido en aceite que pueden admitir.
Establecer el porcentaje de tiempo que estará operativo cada uno de esos elementos en un periodo de tiempo específico. Esto se conoce como el tiempo de funcionamiento (duty cycle).
Establecer el máximo número de puntos de consumo que pueden ser empleados de forma simultánea en cada línea de suministro, en la principal y en todo el proyecto. Esto se conoce como factor de carga (use factor or load factor).
Estime un valor permisible de fugas.
…Incorpore un margen en caso de una ampliación futura de la instalación (…..) NO…hay que borrarlo.
Realice una distribución en planta preliminar (preliminar piping) y asigne caídas de presión y pérdidas.
Seleccione el tipo de compresor, equipos de acondicionamiento, etc, asegurándose de que se utilizan unidades consistentes.
Ejecute el piping final y el tamaño de la red.
5.2 DISEÑO NEUMÁTICA CLÁSICA
Dentro del campo del diseño de circuitos neumáticos, se pueden aplicar diversos métodos de diseño.
Para la neumática clásica:
Método intuitivo.
Método cascada.
Para la electroneumática:
Mediante relés (método cascada).
Mediante programación (PLCs y autómatas).
5.3 MÉTODOS DE DISEÑO SECUENCIAL PARA LA NEUMÁTICA CLÁSICA
Como paso previo a la aplicación de cualquier método de diseño, se han de estudiar con detenimiento la secuencia de movimientos que necesitamos que realice nuestro dispositivo y / o máquina, e identificar con qué tipo de actuador realizaremos dicho movimiento, para el laboratorio de electroneumática de la UAN, las características de los actuadores son las siguientes:
Consumidores, veintidós cilindros neumáticos didácticos de doble efecto de las siguientes características:
Marca : Humphrey
Referencia : 5DP-4
Aplicaciones : Sujeción, transporte y/o alimentación de piezas
Fluido : Aire comprimido, filtrado y lubricado.
Temperatura de operación : 0-60 °C
Material de construcción : Acero inoxidable.
Presión Máxima de operación :15-100 psi
Diámetro : 1 1/2¨
Carrera : 4¨
Conexión : 1/8¨ NPT
Figura 7. Tablero didáctico electroneumático.
Fuente: foto tomada por los autores del laboratorio de electroneumática de la UAN sede Bucaramanga.
Una vez analizado lo plasmara sobre papel a través de los denominados diagramas espacio – fase o espacio – tiempo. Con el diseño del diagrama de la figura 7 aplicaremos los cálculos, teniendo en cuenta que son veintidós cilindros neumáticos.
5.4 DATOS DE DISEÑO
Los elementos neumáticos deben trabajar con una presión (normalizada) de 6 bar = 87 psi.
Los compresores utilizados para sistemas neumáticos dan una presión de utilización de 7 bar = 101.528 psi.
Como norma en instalaciones normales, en donde el diámetro de la tubería calculada no exceda de los 200 a 250 mm, y la longitud de la instalación no exceda de los 1500 m, se debe considerar que la caída de presión máxima, desde el compresor, hasta el punto de trabajo sea de 0,6 bar (sin incluir unidad triple de tratamiento: filtro, regulador y lubricador) (un 8,5 % de la presión de descarga del compresor).
A título orientativo, las pérdidas de presión de los diferentes elementos de un circuito, referidas a 7 bares, son las siguientes:
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 |
Otro dato de diseño importante, es considerar que un caudal del 10 al 15% del total que comprime el compresor, se deben prever para pérdidas de aire por fugas.
Para el laboratorio de electroneumática se instalará una red abierta la cual tiene una longitud de 9.20 metros. Que va desde el cuarto del compresor hasta la red instalada dentro del laboratorio de electroneumática.
5.5 CÁLCULO DE LA CAÍDA DE PRESIÓN EN LAS TUBERÍAS
Teniendo en cuenta la longitud de la tubería y el diámetro de esta, se pueden considerar tres tipos de tuberías, cálculo que es básico a la hora de seleccionar la potencia del motor:
Tubería principal, o colector general.
Tuberías secundarias.
Tuberías de servicio.
La tubería principal es la que sale desde el compresor, y canaliza la totalidad del caudal de aire. Deben tener el mayor diámetro posible. Se deben dimensionar, de tal manera que permita una ampliación del 300 % del caudal de aire nominal.
La velocidad máxima del aire que pasa por ella, no debe sobrepasar los 8 m/s.
Las tuberías secundarias toman el aire de la tubería principal, ramificándose por las zonas de trabajo, de las cuales salen las tuberías de servicio. El caudal que pasa por ellas, es igual a la suma del caudal de todos los puntos de consumo.
La velocidad máxima del aire que pasa por ella, no debe sobrepasar los 8 m/s.
Las tuberías de servicio, son las que alimentan los equipos neumáticos. Llevan acoplamientos de cierre rápido, e incluyen las mangueras de aire y los grupos filtro – regulador – lubricador, en cada uno de los módulos electroneumática didácticos del laboratorio (total 11) se encuentra dotado de una unidad de mantenimiento el cual tiene filtro de agua, regulador de presión y lubricador.
La velocidad máxima del aire que pasa por ella, no debe sobrepasar los 15 m/s.
Se ha de evitar tuberías de diámetro inferior a 1/2, para este caso utilizaremos una tubería estándar de 1½", previendo que en el futuro este compresor suministrara aire comprimido a los laboratorios cercanos a la ubicación propuesta.
La pérdida de presión máxima permisible, en el sistema de tuberías, no puede pasar de un 2% de la presión del compresor, así si trabajamos con 7 bar, la máxima caída permisible, será de 0,14 bar, ya que si a esta caída de presión sumamos las de los demás elementos del circuito, la presión en el punto de trabajo, puede ser mucho más baja que la idónea, para el circuito neumático. Es práctica habitual permitir que el 10% de la presión a la cual trabaje el sistema se emplee en hacer frente a las pérdidas (el resto es la energía que se descargará en los orificios de trabajo). Así, para un sistema que trabaje a 7 bares, es normal fijar un valor de pérdidas máximo de 0.7 bar a lo largo de las conducciones.
Otro criterio que se emplea es el de fijar un máximo de 6 a 10 m/s de velocidad de aire comprimido por las tuberías.
La caída de presión para tubos rectos se calcula o mediante fórmulas o nomogramas:
La fórmula es:
Siendo:
la caída de presión en bar.
p, presión en bar.
R, constante del gas, para aire 29,27.
T, temperatura absoluta (t + 273), siendo t la temperatura del aire en el interior de la tubería, aproximadamente, la temperatura ambiente.
D, diámetro de la tubería en mm.
L, longitud de la tubería en m.
v, velocidad del aire en m/s= 
ÃY, Grado de resistencia, que es función del caudal másico.
G, caudal másico, cantidad de aire suministrado en kg/h = 1,3 Nm3/min. * 60.
Las pérdidas de presión en accesorios (válvulas, T, codos, etc.), a efectos de cálculo, y con la misión de encontrar un resultado rápido con una aproximación aceptable, basta añadir, a la longitud propia de la tubería que estamos proyectando, un suplemento de longitud de tubería que compense la pérdida de presión ocasionada por dichos elementos.
Tabla 1. Índice de Resistencia ÃY para G Kg de peso del aire comprimido que circula a la hora
G | ÃY | G | ÃY | G | ÃY | G | ÃY | |||
10 | 2.030 | 100 | 1.450 | 1000 | 1.030 | 10000 | 0.730 | |||
15 | 1.920 | 150 | 1.360 | 1500 | 0.970 | 15000 | 0.690 | |||
25 | 1.780 | 250 | 1.260 | 2500 | 0.900 | 25000 | 0.640 | |||
40 | 1.660 | 400 | 1.180 | 4000 | 0.840 | 40000 | 0.595 | |||
65 | 1.540 | 650 | 1.100 | 6500 | 0.780 | 65000 | 0.555 | |||
100 | 1.450 | 1000 | 1.030 | 10000 | 0.730 | 100000 | 0.520 | |||
Fuente: Diplomado Electromecánica. E.U.P.M. Curso de Neumática. U.P.C. Prof. J.J. de Felipe Blanch. Reemplazando en la fórmula con los valores actuales para el cálculo de la caída de presión en la red: | ||||||||||
ÃY =78 R =29.27
T = (25+273) = 278 V = 8
D = 25.4 L = 9.20
P= 7 ?p = 0.03 bar+0.45= 0.48 Ëo0.5 bar
= 0.5 bar.
5.6 DISEÑO DE LA INSTALACIÓN
Los puntos de drenaje se colocan con la ayuda de T"s, ya que el cambio brusco en la dirección del flujo facilita la separación de las gotas de agua de la corriente de aire. Las tuberías deben ir descendiendo levemente en la dirección del flujo. La Pendiente puede fijarse aproximadamente en un 1%.
Las conexiones de las diversas ramificaciones se hacen desde arriba (para obstaculizar al máximo posibles entradas de agua).
En todos los puntos bajos es recomendable colocar puntos de drenaje. Así mismo, en la línea principal se pueden colocar cada 30 – 40 metros, saliendo siempre desde el punto inferior de la tubería
El número de juntas y codos debe reducirse al máximo posible. De esta forma las pérdidas serán las menores posibles.
Realizaremos un cálculo completo de la instalación neumática, así como del circuito de aire comprimido, correspondiente al laboratorio de electroneumática.
5.7 DIAGRAMA DEL CIRCUITO
Se debe llevar aire comprimido desde el cuarto propuesto de la unidad compresora hasta el laboratorio. Según muestra la figura:
Figura 8. Diagrama de circuito de la red de aire comprimido
Fuente. Autores del proyecto
5.8 CONSUMO DE AIRE
Debemos utilizar las siguientes expresiones, según sea un cilindro de simple efecto o de doble efecto.
Para cilindros de simple efecto:
Siendo:
Q, el caudal volumétrico, en m3/s.
C, la carrera en m.
D, el diámetro del cilindro en m.
n, el número de ciclos de trabajo por segundo.
rc, es la relación de compresión.
Estando la presión en bar o atm.
Para cilindros de doble efecto:
En donde:
d, es el diámetro del vástago en m.
En nuestro caso, tenemos:
C = 0,1016 m.
D = 0,0381 m.
d = 0,0063 m.
n = 0,5 ciclos/s.
rc = (6 + 1)/1 = 7.
Por tanto el caudal volumétrico será de:
Por lo tanto, tendremos 0,8 l/s o 48 l/min. * 22 cilindros = 17.6 l/s o 1056 l/min.
5.9 DISTRIBUCIÓN DEL AIRE COMPRIMIDO
Cada máquina y mecanismo del Laboratorio necesita una determinada cantidad de aire, siendo abastecido por un compresor, a través de una red de tuberías. La pérdida de carga desde el compresor al punto de trabajo no debe exceder de los 0,6 bar. (10 % de la presión nominal de trabajo). Si en nuestra instalación disponemos de 22 equipos de mando como los descritos anteriormente, el caudal total vehiculado será:
El volumen total de aire comprimido consumido por el laboratorio de electroneumática es de:
Por tanto, el caudal de cálculo para la línea principal, nos vendrá dado por:
El primer paso de cálculo de la red de distribución es la confección de un esquema lo más detallado posible, de la red, incluyendo longitudes, y accidentes varios (válvulas de corte, T, etc.).
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. En la planificación de instalaciones nuevas debe preverse una futura ampliación de la demanda de aire, por cuyo motivo deberán dimensionarse generosamente las tuberías. El montaje posterior de una red más importante supone costos dignos de mención.
5.10 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. Un nomograma (figura 9), ayuda a encontrar el diámetro de la tubería de una forma rápida y sencilla.
5.10.1 Cálculo de una tubería. El consumo de aire en el laboratorio es de 
para el ejercicio de cálculo utilizaremos valores aproximados o cerrados a 1.1 m3/min (64 m3/h) En 1 años aumentará un 300%, por futuras redes que serán instaladas en los laboratorios adyacentes, lo que representa 3.3 m3/min (192 m3/h).
La red tiene una longitud de 9.20 m; comprende 2 piezas en T, 8 codos normales, 1 válvula de cierre. La pérdida admisible de presión es de A p = 10 kPa (0,1 bar). La presión de servicio es de 800 kPa (116 psi, 8 bar).
Se busca el diámetro de la tubería con los siguientes datos:
L = 60.8 m
Q = 210 m3/h
P = 7 bar
?p = 0.5 bar
El nomograma de la (figura 9), con los datos dados, permite determinar el diámetro provisional de las tuberías.
Solución: En el nomograma, unir la línea A (longitud M tubo) con la B (cantidad de aire aspirado) y prolongar el trazo hasta C (eje l). Unir la línea E, (presión). En la línea F (eje 2) se obtiene una intersección. Unir los puntos de intersección de los ejes 1 y 2. Esta línea corta la D (diámetro nominal de la tubería) en un punto que proporciona el diámetro deseado. En este caso, se obtiene para el diámetro de la tubería un valor de D= 30 mm Ëo 1 ½¨
Figura 9. Monogramas para el cálculo de diámetro de la tubería
Fuente. Tablas calculo de Neumática industrial
Las resistencias de los elementos estranguladores (válvula de cierre, válvula esquinera, pieza en T, compuerta, codo normal) se indican en longitudes supletorias. Se entiende por longitud supletoria la longitud de una tubería recta que ofrece la misma resistencia al flujo que el elemento estrangulador o el punto de estrangulación. La sección de paso de la "tubería de longitud supletoria" es la misma que la tubería. Un segundo nomograma (figura 10) permite averiguar rápidamente las longitudes supletorias.
Figura 10. Monograma longitudes supletorias para tuberías.
Fuente. Tablas calculo de Neumática industrial
Con esta longitud total de tubería de 60.8 m, el consumo de aire, la pérdida de presión y la presión de servicio se puede determinar, como en el problema anterior, con ayuda del nomograma (figura 9) el diámetro definitivo de las tuberías.
5.11 TENDIDO DE LA RED
No solamente importa el dimensionado correcto de las tuberías, sino también el tendido de las mismas.
Las tuberías requieren un mantenimiento y vigilancia regulares, por cuyo motivo no deben instalarse dentro de obras ni en emplazamientos demasiado estrechos. En estos casos, la detección de posibles fugas se hace difícil. Pequeñas faltas de estanqueidad ocasionan considerables pérdidas de presión.
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%.
En consideración a la presencia de condensado, las derivaciones para las tomas aire en el caso de que las tuberías estén tendidas horizontalmente, se dispondrán siempre en la parte superior del tubo.
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.
En la mayoría de los casos, la red principal se monta en circuito cerrado. Desde la tubería principal se instalan las uniones de derivación.
Con este tipo de montaje de la red de aire comprimido se obtiene una alimentación
uniforme cuando el consumo de aire es alto. El aire puede pasar en dos direcciones.
En la red cerrada con interconexiones hay un circuito cerrado, que permite trabajar en cualquier sitio con aire, mediante las conexiones longitudinales y transversales de la tubería de aire comprimido,
Ciertas tuberías de aire comprimido pueden ser bloqueadas mediante válvulas de cierre (correderas) si no se necesitan o si hay que separarlas para efectuar reparaciones y trabajos de mantenimiento. También existe la posibilidad de comprobar faltas de estanqueidad.
Material de tuberías: Para la elección de los materiales brutos, tenemos diversas posibilidades:
Cobre
Tubo de acero negro
Latón
Tubo de acero galvanizado
Acero fino
Plástico
Aluminio
Las tuberías deben poderse desarmar fácilmente, ser resistentes a la corrosión y de precio módico.
Las tuberías que se instalen de modo permanente se montan preferentemente con uniones soldadas. Estas tuberías así unidas son estancas y, además de precio económico. El inconveniente de estas uniones consiste en que al soldar se producen cascarillas que deben retirarse de las tuberías. De la costura de soldadura se desprenden también fragmentos de oxidación; por eso, conviene y es necesario incorporar una unidad de mantenimiento.
En las tuberías de acero galvanizado, los empalmes de rosca no siempre son totalmente herméticos. La resistencia a la corrosión de estas tuberías de acero no es mucho mejor que la del tubo negro. Los lugares desnudos (roscas) también se oxidan, por lo que también en este caso es importante emplear unidades de mantenimiento. Para casos especiales se montan tuberías de cobre o plástico. Para el caso del laboratorio de electroneumática de la UAN utilizaremos tubería 1 ½" SCH 40 SC.
5.12 OPERACIÓN Y MANTENIMIENTO DE ACCESORIOS
El propósito de los accesorios (Figura 11) 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 más 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 11. Ejemplo de una red y sus accesorios
Fuente: Conceptos de Neumática e Hidráulica en la industria, Manual de neumática de FMA Pokorny Francfort
Selección compresor y del tanque
Un sistema de bombeo se compone de bomba, motor, tubería y accesorios. La energía eléctrica consumida depende de la potencia, el tiempo en que funciona la bomba y de la eficiencia del sistema.
Esta última es la relación entre la potencia que suministra la bomba al fluido y la potencia eléctrica consumida. La potencia suministrada por la bomba, está en función del gasto y la carga.
Si cualquiera de los elementos del sistema, ha sido mal seleccionado en su tipo, capacidad o material, si el motor no está funcionando correctamente, si alguno de los accesorios está obstruido o si la tubería está deteriorada, aumentará el consumo de energía eléctrica total del sistema.
Se recomienda diseñar el sistema para que entregue el gasto con la presión requerida. Una mayor presión, ocasiona un desperdicio de energía y el incremento del consumo de energía eléctrica.
6.1 GENERACIÓN DEL AIRE COMPRIMIDO
Podemos clasificar los compresores en dos grandes tipos, según su principio de funcionamiento:
Compresores de desplazamiento positivo, en donde se comprime aire por una reducción de su volumen. Son los más empleados por la industria.
Turbocompresores, que funcionan según la ecuación de Euler.
Figura 12. Generación del aire comprimido
Fuente: manual Ingersoll-Rand UP-Series 5-15 HP
Dentro de los primeros podemos subclasificarlos como:
Compresores alternativos o de émbolo, que constan de uno o varios cilindros, con sus correspondientes émbolos, y el sistema biela – manivela (que transforma el movimiento rotativo continuo de la máquina motora en un movimiento rectilíneo alternativo).
Compresores rotativos, que constan de una carcasa y uno o varios rotores, que crean un volumen variable, con su movimiento rotativo.
6.2 CÁLCULO TEÓRICO DEL CICLO DE TRABAJO DE UN COMPRESOR DE DESPLAZAMIENTO POSITIVO DE UNA SOLA ETAPA Y DE SIMPLE EFECTO
Ahora haremos un estudio del ciclo teórico de trabajo de un compresor ideal, para poder extraer las conclusiones de cómo nos interesa que se produzca la compresión.
El estudio lo realizaremos sobre un compresor de émbolo funcionando sin pérdidas y que el gas comprimido sea perfecto y sin espacio muerto.
Figura 13. Representando el ciclo que realizará en el plano p-v.
Fuente: Diplomado Electromecánica. E.U.P.M. Curso de Neumática. U.P.C. Prof. J.J. de Felipe Blanch.
En el PMS, se abre la válvula de aspiración, y mientras el émbolo se mueve hacia el PMI, se va llenando el cilindro con fluido a presión constante, que corresponde con la presión atmosférica. (Proceso 4-1).
Una vez alcanzado el PMI, se cierra la válvula de admisión y el émbolo comienza su carrera ascendente comprimiendo el fluido, es el proceso 1-2, antes de que el émbolo alcance el PMS, se abre la válvula de descarga, en el momento que la presión en el interior del cilindro es igual, como mínimo, a la de la línea o tanque receptor, y el gas se impulsa a presión constante.
El trabajo que se debe dar al compresor para que realice este ciclo, es la suma algebraica de los trabajos de cada proceso, por lo que el trabajo total es igual a la suma del trabajo de aspiración, más el trabajo de compresión, más el trabajo de descarga.
Podemos analizar estos trabajos, suponiendo diferentes procesos de compresión:
a) Compresión isoterma. (Compresión a temperatura constante, por tanto, con refrigeración perfecta).
Si aplicamos el primer principio de la termodinámica para sistemas cerrados:
Como para los gases ideales, la energía interna sólo depende de la temperatura, y ésta no varía, nos queda:
Es decir el trabajo que se ha de realizar sobre el fluido, en el proceso de compresión, es igual al calor extraído al fluido para mantener constante su temperatura.
b) Compresión adiabática. (Compresión sin refrigeración) Si aplicamos el primer principio de la termodinámica para sistemas cerrados:
Como no hay transferencia de calor, nos queda que:
Es decir, el trabajo que se ha de realizar sobre el fluido, en el proceso de compresión es igual al incremento de energía interna que sufre el fluido.
Podemos calcularlo por:
c) Compresión politrópica. En la realidad, no se da, ni una ni otra de las evoluciones anteriores; lo que se consigue es una intermedia, es decir una compresión con refrigeración imperfecta, que realmente la podemos describir como una compresión politrópica con un exponente n, comprendido entre:
1 < n < 1,4
Usualmente, para compresores pequeños refrigerados por aire:
n = 1,35
Para compresores medianos refrigerados por agua:
1,2 < n < 1,3
La ecuación de la politrópica para el trabajo y potencia, es respectivamente:
Si realizáramos un estudio energético, de todos los procesos, veríamos que el que gasta menos energía es el proceso isotérmico, por lo que nosotros elegiremos compresores que se acerquen lo más posible a este tipo de proceso.
6.3 DIAGRAMA DE TRABAJO REAL DE UN COMPRESOR
Características Esenciales. En la figura 14 se representa en un diagrama p-v, el ciclo real de un compresor de émbolo monocilíndrico: Al desplazarse el émbolo hacia su punto muerto inferior, causa una depresión en el interior del cilindro que obliga a la válvula de aspiración a abrirse, llenando de aire el cilindro. Una vez alcanzado el PMI, el émbolo inicia el retorno hacia el PMS, provocando un aumento de presión que obliga a la válvula de aspiración a cerrarse, lograda la presión de descarga, se facilita la apertura de la válvula de descarga, y la salida del aire comprimido.
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