Sistema de Producción y Transporte de Aire Comprimido (página 2)

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:

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

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.