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Conceptos básicos

Introducción

El aire comprimido es una de las formas de energía más antiguas que conoce y utili-za el hombre para reforzar sus recursos físicos.Sabemos que el primero que se ocupó de la neumática, es decir, utilizar el aire com-primido como elemento de trabajo, fue el griego KTESIBIOS. Hace más de dos milaños, construyó una catapulta de aire comprimido. Uno de los primeros libros acercadel empleo de este tipo de energía, procede del siglo I de nuestra era, y describemecanismos accionados por medio de aire caliente.De los antiguos griegos procede la expresión Pneuma, que designa lo etéreo, lo puro,el alma de los cuatro elementos fundamentales: aire, agua, tierra y fuego. Como deri-vación de la palabra Pneuma surge, entre otras cosas, el concepto neumática quetrata los movimientos y procesos del aire.Aunque los rasgos básicos de la neumática se cuentan entre los más antiguos cono-cimientos de la humanidad, no fue sino hasta el siglo pasado cuando empezaron ainvestigarse sistemáticamente su comportamiento y sus reglas. A partir de 1950podemos hablar de una verdadera aplicación industrial de la neumática en los proce-sos de fabricación. Es cierto que con anterioridad ya existían algunas aplicaciones yramos de explotación, como por ejemplo en la minería, en la industria de la construc-ción y en los ferrocarriles (frenos de aire comprimido)La irrupción verdadera y generalizada de la neumática en la industria no se inició, sinembargo, hasta que llegó a hacerse más acuciante la exigencia de automatizar yracionalizar los procesos de trabajo, para bajar los costos de producción.En la actualidad, todo desarrollo industrial está concebido con aire comprimido, y enconsecuencia se utilizan equipos neumáticos.

Participación de la neumática

¿Cuándo debe usarse la Neumática?

El hombre coloca a su servicio la máquina, con el fin de producir una mayor cantidadde productos, con una mejor calidad y un menor esfuerzo físico, reduciendo los ries-gos de accidente y los costos de producción.El nivel de automatización dependerá en gran parte del hombre, que está siemprepresente en el accionamiento inicial y final del proceso.

Automatización: podemos definirla como un conjunto de elementos tecnológicosque realizan una serie de funciones y operaciones sin la intervención del hombre, ocon mínima participación.

Para operar el conjunto de recursos tecnológicos que origine una automatización, esnecesaria la energía. Entre las varias formas energéticas esta la neumática, que cons-tituye el primer paso para transformar la mecanización en automatización. Si bien la utilización de la técnica del aire comprimido como fuente energética esempleada, cada vez más, para la racionalización y automatización, ésta es relativamen-te cara y podría llegarse a suponer que los costos de producción, acumulación y dis-tribución del aire involucran gastos elevados.

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9CONCEPTOS BASICOS1

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Esto no es exacto, pues en el cálculo de rentabilidad de una instalación, no sólo debetomarse en cuenta el costo energético y los gastos de instalación, sino también losahorros de mano de obra, los gastos de mantenimiento y el aumento de la produc-ción logrado. El resultado final es que el costo energético es despreciable y las inver-siones de instalación fácilmente amortizables.

El aire comprimido puede utilizarse: a) directamente, como elemento de trabajo; b)para accionamiento de motores, embragues, cilindros o herramientas; c) regulado pormedio de válvulas y elementos accesorios, para impulsar una gran variedad de movi-mientos mecánicos; d) en combinación con equipos oleohidráulicos, para obtener conun coste reducido ciclos de trabajo precisos en bajas velocidades; e) con la electrici-dad, para accionamientos a larga distancia y para los movimientos rotativos.

¿Cuáles son las propiedades del aire comprimido que han contribuido a su popularidad?

• Generación del aire comprimido sin limitaciones ya que la materia prima es sin costo.

• Fácil distribución, no precisa recuperación.• Fácil de acumular en tanques o depósitos.• Puede ser utilizado en ambientes explosivos o inflamables. • No interfiere con el medio ambiente.• Los componentes son de costo moderado y de fácil aplicación.• Admite altas velocidades de trabajo, regulación de fuerzas, no tiene problemas

por bloqueos o detenciones forzadas por sobrecarga.

Para delimitar el campo de utilización de la neumática, es preciso conocer también laspropiedades adversas:

Compresibilidad: esta característica impide obtener velocidades constantes a resis-tencias variables.Fuerzas: limitaciones prácticas de aproximadamente 40000 Newton (4000Kg.) enforma directa.

Unidades Básicas y Derivadas. SI: Definición y conceptualización

El sistema SI es derivado del MKS.Unidades frecuentemente empleadas en neumática:

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Longitud METRO (m)

Masa MASA (Kg)

Tiempo SEGUNDO (Seg.)

Temperatura

Fuerza

NEWTON (N)

NEWTON (N)

Presión BAR (bar)

Potencia WATT (W)

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1 . 3 Sistema Internacional

Fuerza: definiremos una Fuerza F (N) a aquella necesaria para mover un cuerpo demasa M (Kg) imprimiéndole una aceleración a (m/s2) en la dirección del movimiento.

Puesto que las fuerzas solamente modifican el estado de movimiento de un cuerpo,para que un cuerpo se mueva no es necesario que actúe sobre él una Fuerza. Las fuerzas sólo son necesarias para poner en movimiento un cuerpo que está inmó-vil o para alterar la velocidad de uno que está en movimiento. Un cuerpo en movimiento sobre el que no actúa ninguna fuerza seguirá moviéndoseen línea recta y a velocidad constante indefinidamente.

Unidad de Fuerza: un Newton es la Fuerza que aplicada a un cuerpo de Masa: 1Kg.le imprime una aceleración de 1m/seg.2

En la práctica puede utilizarse sin mayor error.

EjemploEn un cilindro neumático, la fuerza desarrollada equivale a la fuerza resistente ofre-cida por la carga.

Trabajo (L): producimos Trabajo cuando un cuerpo de masa M es desplazado a travésde una cierta distancia, por efecto de una fuerza F en la dirección del movimiento. El trabajo efectuado es el producto de la proyección de F en el sentido del movimien-to por la distancia recorrida por el cuerpo.

11CONCEPTOS BASICOS1

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EjemploEn un sistema neumático, el trabajo estará dado por la fuerza que ejerce el cilindromultiplicada por la carrera a recorrer del mismo.

Presión: es una Fuerza actuante sobre una unidad de superficie.

Donde:

Como el Pascal es una unidad pequeña para el uso de la neumática, en la industriase usa generalmente el bar como unidad derivada, siendo:

Fuerza

Presión

Superficie

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También:

1 bar = 0.981 Kp/cm2 (en la práctica 1bar = 1 Kp/cm2)1 bar = 14,2 Lb/ Pulg2

EjemploEn un sistema neumático, la fuerza se aplica por la presión del aire que actúa sobreel área de un pistón en movimiento en un cilindro. A medida que el pistón semueve, la fuerza neumática actúa a través del largo de la carrera del pistón.

Los sistemas neumáticos tratan con tres clases de presión atmosférica:

• Presión Atmosférica: al nivel del mar es de 14,7 psi (Lbs/pulg2); la presión es más baja arriba del nivel del mar, y más alta debajo del nivel del mar. Estotambién permite que el aire pase a través del filtro de admisión en un compresor,dentro del cilindro cuando el compresor está en la carrera de admisión, y la presión en el cilindro está por debajo de la presión atmosférica.

• Presión Relativa: es la que resulta de tomar como referencia (cero de la escala)a la presión absoluta atmosférica. Es la presión que indican los manómetros, también llamada presión manométrica, que es la empleada para el cálculo defuerza de los cilindros o actuadores neumáticos

• Presión absoluta: es la presión resultante de sumar la presión atmosférica(1.013 Kg/cm2) a la presión manométrica.

Temperatura: es la cantidad de energía calórica en tránsito. La temperatura indica laintensidad de calor. En el estudio de los gases, la temperatura es expresada en Kelvin,también conocida como escala de temperatura absoluta.

Temperatura absoluta: es aquella que toma como cero de la escala al cero absolutode la temperatura, correspondiente a –273,16°C. Indicaremos con T a la Temperaturaen grados Kelvin o absoluta y con t a la temperatura en grados centígrados o Celsius.


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Masa: es la magnitud que define la cantidad de materia que conforma un cuerpo.

Todos los objetos o substancias tienen Masa. La Masa representa la cantidad de materia en un objeto y su inercia o resistencia alponerse en movimiento. La Masa de un objeto determina su peso en la tierra o en cualquier otro campo gra-vitatorio. La inercia de un objeto determina la cantidad de fuerza que se requiere para levantaro mover un objeto o para cambiar su velocidad o dirección de movimiento.

En el sistema internacional (SI) la unidad de masa es el Kg.

Velocidad: es el espacio recorrido en la unidad de tiempo.

EjemploUn móvil posee una velocidad de 1m/seg. cuando recorre 1 metro en un tiempode 1 segundo

Equivalencias

Aceleración: es la variación (incremento ó disminución) de la velocidad en la unidadde tiempo.

1 Km./h 0.28 m/s

1 m/s 3.6 Km./h

Unidad: tendremos una aceleración de 1 m/s2 cuando la velocidad (V) aumente arazón de 1m/s por cada segundo transcurrido.

Caudal: se llama Caudal o gasto de un fluido, al volumen de fluido que pasa por unasección en la unidad de tiempo.Esta cantidad de fluido podemos expresarla de dos formas, en masa o en volumen. Elcaudal másico y el caudal volumétrico están relacionados a través de la densidad delfluido, que en el caso de los gases es variable con la presión y la temperatura.

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Leyes Fundamentales de los Gases Perfectos o Ideales Es la ecuación que relaciona entre sí la presión, volumen y temperatura de una masam de un gas.

Las características esenciales del estado gaseoso son:

• Un gas tiende a repartirse uniformemente por el interior del recinto que lo contiene.

• La densidad de un gas depende de su presión y temperatura.• La masa de un gas presenta una resistencia prácticamente nula a los esfuerzos

de corte.

Ecuación de estado de los gases perfectos o ideales

Leyes usualmente aplicadas en un Sistema Neumático

Las leyes utilizadas en la neumática pueden deducirse de la ecuación general de losgases perfectos

Ley de BOYLE MARIOTTE

A temperatura constante las presiones ejercidas en una masa gaseosa, son inversa-mente proporcionales a los volúmenes ocupados.

Donde:


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Ley de GAY LUSSAC

A presión constante el volumen ocupado por un gas es proporcional a su temperaturaabsoluta.A volumen constante la presión de un gas es proporcional a su temperatura absoluta.

Ley de CHARLES

Considerándose un volumen constante, al aumentar la temperatura, aumenta la presión.

RECUERDE que...

En las leyes de los gases, la de Boyle, la de Charles y la Gay-Lussac, la masa del gases fija y una de las tres variables, la temperatura, presión o el volumen, también esconstante. Utilizando una nueva ecuación, no solo podemos variar la masa, sino tam-bién la temperatura, la presión y el volumen.

Aire libre

Aire Atmosférico: es un gas incoloro, inodoro e insípido, formado por tres gasesprincipales:

Nitrógeno = 78 %Oxígeno = 21 %Hidrógeno = 1%

También encontramos en el aire:

Monóxido de carbono Argón Neón

Óxido Nitroso Helio Yodo

Metano Radón Dióxido de carbono

Humedad en el aire atmosférico

Es sabido que el aire atmosférico contiene una cierta cantidad de humedad en formade vapor de agua, que dependerá de las condiciones climatológicas. La aptitud delaire atmosférico para retener vapor de agua, está relacionada con la presión y la tem-peratura ambiente, en especial con esta última, admitiendo más vapor de agua amedida que aumenta su temperatura o se disminuye su presión, e inversamentepodría retener menor cantidad de agua a medida que desciende su temperatura oaumenta su presión produciendo condensación.

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Humedad absoluta

Se denomina así al peso de agua (en forma de vapor) existente en 1 Kg de aire seco,en cualquier condición de presión y temperatura al momento de efectuar la medición.

Humedad relativa

Es la relación entre la humedad absoluta existente en el aire y la humedad absolutamáxima que podría contener si estuviera saturado.

Una humedad relativa del 100% indica que estamos en presencia de un aire satura-do, es decir que ya no admite más humedad (X = Xs)

RECUERDE que...

Las cantidades en Nl/min que se dan generalmente en los catálogos para el consu-mo de aire de las herramientas o equipos neumáticos, se refieren a aire libre porminuto (aire atmosférico a la presión y temperatura normales). Debemos asegurarnosque el dato sobre la capacidad del compresor que da el fabricante esté también refe-rido a aire libre, con el objeto de que exista una correspondencia entre consumo ycapacidad. Normalmente, estas dos especificaciones están dadas en el aire libre, ypor lo tanto no hace falta ninguna conversión. Sin embargo, cuando se trata del con-sumo de aire de otros equipos, es posible que no este dado en aire libre; debe recu-rrirse a la formula para la conversión de litros de aire comprimido a una presión deter-minada en litros de aire libre, siendo:

Donde:

Donde:

EjemploEl aire que ingresa al compresor es aire libre pero cuando se comprime en el cilin-dro es aire en grado de presión (comprimido)


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Aire comprimido

¿Qué es el Aire Comprimido?

Entiéndase por aire comprimido al aire compactado por medios mecánicos, confina-do en un reservorio a una determinada presión.

Distintos a los líquidos que son virtualmente incomprensibles, el aire es fácilmentecompresible y puede almacenarse en grandes cantidades en recipientes relativamen-te pequeños. Mientras más se comprima el aire, más alta es su presión. Mientras másalta sea la presión en su recipiente, mayor tiene que ser la resistencia del recipiente.En los sistemas de aire comprimido, el aire aspirado por el compresor entra a la pre-sión y temperatura ambiente con su consiguiente humedad relativa. Entonces se locomprime a una presión mas elevada lo que produce un calentamiento del aire al gradoque toda su humedad pasará por el compresor al ser aspirado. Este aire, ahora com-primido, al ir enfriándose en el depósito y tuberías de distribución hasta igualar la tem-peratura ambiente, condensara parte de su humedad en forma de gotas de agua.

Para determinar la cantidad de condensado en un sistema neumático, puede utilizar-se el siguiente gráfico, con ayuda de la formula

Donde:

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Cálculo de la fracción de condensados

EjemploCalcular la fracción de condensados que se producirá como resultado de lacompresión de aire atmosférico a una temperatura ambiente de 20° C y unahumedad relativa del 80%, siendo el caudal aspirado por el compresor G = 8Nm3/min. Suponiendo que el compresor funcione con un porcentaje de tiempode carga del 75%, lo que implicará que la relación tiempo en carga / tiempo demaniobra = 0,75 = 75%Supondremos que después de comprimido, el aire en él deposito y tuberías adquie-ren nuevamente la temperatura ambiente. La presión de servicio será de 8 bar.

Para presión atmosférica y 20°C se lee Xs = 15 g/Kg. Calculamos el 80% de estevalor, resultando:Xsi = 12 g/Kg de aire seco.

Para presión efectiva 8 bar y 20°C se lee:Xsf = 1,5 g/Kg de aire seco.


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Aplicando la formula:

Conclusión

Parte de este condensado podrá ser separado en depósitos o equipos separadoressiendo eliminados por el sistema. Mientras que la otra parte podrá ser arrastrada ytransportada en forma de fase líquida o niebla (micro gota) hacia los puntos de utili-zación y verificación.

¿Cuáles son las fuentes principales de deterioro de los componentes neumáticos?

La cantidad de separados y arrastres dependerá de la eficiencia de los equipos detratamiento de aire incorporados a esa línea. Estas condensaciones juntamente conlos condensados de aceites o degradados provenientes del compresor, partículasmetálicas producto de su desgaste, así como óxidos metálicos desprendidos de cañe-rías y polvo atmosférico, serán arrastrados por el flujo de aire hacia los puntos de uti-lización, constituyéndose en la fuente principal de deterioro de los componentes neu-máticos, tales como:

• Corrosión en tuberías metálicas• Entorpecimiento de los accionamientos mecánicos• Errores de medición en equipos de control• Obturación de boquillas de arena• Obturación de pistolas de pintura• Degradación del poder lubricante de los aceites• Oxidación de los órganos internos en equipos receptores• Bajo rendimiento de la instalación• Atascamiento en válvulas• Prematuro desgaste de órganos móviles, etc.

RECUERDE que...

El aire comprimido tal como sale del depósito del compresor no es apto para ser uti-lizado en equipos neumáticos, debiéndose tratar previamente.

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Equivalencia de unidades del sistema SI con el Sistema Técnico

Magnitud física Unidad SI Sistema Técnico Equivalencia

Fuerza Newton (N) =Kgm/s2 Kilopondio (Kp) 1 Kp = 9,81 N

Trabajo Joule (J) = Nm Kilopondio x metro 1 Kpm = 9,81 J(Kpm)

Presión Pascal – bar – N/m2 Atmósfera 1 at = 1,013 bar = técnica (at.) 101.300 Pa = 1,033 Kg/cm2

Potencia Watt – Kilowatt (Kw) CV = 75 Kpm/s 1 Kw = 1000 W = 1,035 CV

Temperatura °Kelvin Celsius (°C) T (°K) = t (°C) + 273,16

Superficie Metro cuadrado(m2) Metro cuadrado (m2) -------------------

Caudal M3/s M3/s -------------------

Volumen M3 M3 -------------------

Longitud Metro (m) Metro (m) -------------------

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Generación y distribución del aire comprimido

Introducción

Para producir aire comprimido se utilizan compresores que elevan la presión del aireal valor de trabajo deseado. Los mecanismos y mandos neumáticos se alimentandesde una estación central. El aire comprimido proviene del compresor y llega a lasinstalaciones (demanda), a través de tuberías.Los compresores móviles se utilizan en el ramo de la construcción o en máquinas quese desplazan frecuentemente.

Tipos de compresores

Según las exigencias referentes a la presión de trabajo y al caudal de suministro, sepueden emplear diversos tipos de construcción.

Se distinguen dos tipos básicos de compresores:

• El primero trabaja según el principio de desplazamiento: la compresión se obtiene por la admisión del aire en un recinto hermético, donde se reduce luegoel volumen. Se utiliza en el compresor de émbolo oscilante o rotativo.

• El otro trabaja según el principio de la dinámica de los fluidos: el aire es aspirado por un lado y comprimido como consecuencia de la aceleración de lamasa de aire en la turbina.

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2 . 1

TIPOS DE

COMPRESORES

DESPLAZAMIENTO FIJO

DESPLAZAMIENTO

VARIABLE

(TURBOCOMPRESORES)

ALTERNATIVO

ROTATIVOS

A PALETAS

A TORNILLO

ROOTS

RADIAL

AXIAL

A PISTÓN

A MEMBRANA

¿Cuáles son los aspectos significativos en la selección de un compresor?

• Caudal de desplazamiento dado generalmente en m3/min.• Temperatura de descarga del aire comprimido.• Nivel de presión de funcionamiento del compresor.• Elevación de la instalación (altitud)• Rango de admisión de temperatura / humedad.• Agua / aire de enfriamiento disponible.• Tipo de impulsión (eléctrica, turbina, motores)• Condiciones atmosféricas (corrosivas, polvorientas, húmedas)• Condiciones de descargas (sin aceite, refrigerada, seca)• Accesorios - controles de arranques y capacidad, filtros, controles de seguridad.

Clasificación de los compresores más usuales

Según el sistema de compresión, los compresores se agrupan en las siguientes familias:

• Compresores alternativos- Pistón- Membrana

• Compresores rotativos- Tornillo- Centrífugos

Compresores alternativos

Son aquellos que vinculan movimientos lineales en la trayectoria de un pistón o unamembrana, a los cambios de presión que se produce según lo expuesto en las Leyesde los Gases. Pertenece a la familia de compresores fijo o positivo.

Compresores a pistón

Son los de uso más difundido, en donde la compresión se efectúa por el movimientoalternativo de un pistón. En la carrera descendente se abre la válvula de admisiónautomática y el cilindro se llena de aire, para luego en la carrera ascendente compri-mirlo, saliendo así por la válvula de descarga. Una simple etapa de compresión comola descripta, no permitirá obtener presiones elevadas con un rendimiento aceptable. Por lo tanto, es necesario recurrir a dos o más etapas de compresión, en donde el airecomprimido a baja presión de una primera etapa (3 - 4 bar) llamada de baja, es vuel-to a comprimir en otro cilindro en una segunda etapa llamada de alta, hasta la presiónfinal de utilización. Puesto que la compresión produce una cierta cantidad de calor,será necesario refrigerar el aire entre las etapas para obtener una temperatura finalde compresión más baja y con rendimiento superior. La refrigeración de estos com-presores se realiza por aire o por agua, dependiendo del tipo de compresor y su pre-sión de trabajo.El cilindro de alta es de diámetro más reducido que el de baja, debido a que éste tomael aire ya comprimido por el de baja, y por lo tanto ocupará menos volumen. Para pre-siones superiores será necesario recurrir a varias etapas de compresión.

Una buena rentabilidad del equipo compresor se obtendrá trabajando en los siguientesrangos de presión, de acuerdo al número de etapas, considerando un servicio continuo:

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23GENERACIÓN Y DISTRIBUCIÓN DEL AIRE COMPRIMIDO 2

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RECUERDE que...

Los compresores a pistón se usan ampliamente para los sistemas de fuerza neumá-tica, como consecuencia de sus ventajas generales de buenas relaciones de compre-sión, variedad de tamaño, alta eficiencia, bajo costos de operación, altos pies cúbicospor minuto por caballo de fuerza, y debido al hecho de que pueden pararse o descar-garse completamente cuando se necesita capacidad.

Compresores a membrana

Consisten en una membrana accionadapor una biela montada sobre un eje motorexcéntrico: de este modo se obtendrá unmovimiento de vaivén de la membranacon la consiguiente variación del volumende la cámara de compresión, en donde seencuentran alojadas las válvulas de admi-sión y descarga, accionadas automática-mente por la acción del aire. Permiten laproducción de aire comprimido absoluta-mente exento de aceite, puesto que elmismo no entra en contacto con el meca-nismo de accionamiento, y en consecuen-cia el aire presenta gran pureza.Utilizados en medicina y en ciertos procesos químicos donde se requiera aire sin ves-tigios de aceite y de gran pureza. En general, no son utilizados por el rubro industrial.

Compresores rotativos

También llamados multialetas o de émbolos rotativos. Constan de una carcasa cilín-drica en cuyo interior va un rotor montado excéntricamente, de modo de rozar casi porun lado la pared de la carcasa, formando así del lado opuesto una cámara de trabajoen forma de medialuna.Esta cámara queda dividida en secciones, por un conjunto de paletas deslizantes alo-jadas en ranuras radiales del rotor.

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2 . 1 . 2

Hasta 3 - 4 bar 1 etapa

Hasta 8 - 10 bar 2 etapas

Más de 10 bar 3 etapas o más

Al girar este último, el volumen de las sec-ciones varía desde un máximo a un míni-mo, produciéndose la aspiración, compre-sión y expulsión del aire sin necesidad deválvula alguna. Este tipo de compresor esmuy adecuado para los casos en que noes problema la presencia de aceite en elaire comprimido, fabricándose unidadesde aire hasta 6000 Nm3/h de capacidady hasta una presión de 8 bar en una solaetapa y 30 bar en dos etapas con refrige-ración intermedia.Otra forma es sustituir la refrigeración mediante inyección de aceite, que actúa duran-te todo el proceso de compresión. Dicho aceite absorbe una parte considerable decalor de compresión, de manera tal que aún para presiones de salida de 8 bar no sealcanzan temperaturas superiores a los 90°C en la mezcla aire – aceite. Este últimoes extraído haciendo pasar la mezcla por separadores especiales y luego de refrige-rado es inyectado nuevamente.De requerirse aire exento de aceite, las paletas deben ser hechas de materiales auto-lubricantes, tipo teflón o de grafito. Alcanzan una vida útil de 35000 a 400000 Hs.de funcionamiento dado el escaso desgaste de los órganos móviles (paletas) por laabundante presencia de aceite. Este tipo de compresores suministra un flujo casi sinpulsaciones y en forma continua utilizan-do un depósito de dimensiones reduci-das que actúa de separador de aceite.

Compresores a tornillo

También llamados compresores helicoida-les. La compresión en estas máquinas esefectuada por dos rotores helicoidales,uno macho y el otro hembra que sonprácticamente dos tornillos engranadosentre si y contenidos en una carcasa den-tro de la cual giran. El macho es un torni-llo de 4 entradas y la hembra de 6. El macho cumple prácticamente la misma funciónque el pistón en un compresor alternativo y la hembra la del cilindro. En su rotación, loslóbulos del macho se introducen en los huecos de la hembra, desplazando el aire axial-mente, disminuyendo su volumen y, por consiguiente, aumentando su presión. Loslóbulos se llenan de aire por un lado y descargan por el otro en sentido axial.Los dos rotores no entran en contacto entre si, de modo tal que tanto el desgastecomo la lubricación resultan mínimos. Esto se logra a través de un juego de ruedasdentadas que mantiene el sincronismo de giro de los rotores y evita que éstos pre-sionen unos contra otros, asegurándose la estanqueidad necesaria por la estrechatolerancia de los juegos que existen entre ellos y la de éstos con la carcasa.La refrigeración y lubricación (no necesaria en el rotor) y una mejor hermeticidad selogran por inyección de aceite en la compresión, que luego será separado del airecomprimido en separadores, al igual que en los compresores de paletas. Se constru-yen de 1, 2 o más escalones de compresión y entregan un flujo casi continuo, por loque las dimensiones del depósito son reducidas, cumpliendo más bien funciones decolector y separador de aceite que de acumulador.El campo de aplicación de éstos va desde 600 a 40000 m3/h y se logran presionesde hasta 25 bar.

2 . 1 . 2 . 1

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RECUERDE que...

Los compresores a tornillo se prefieren usualmente cuando son requeridas condicio-nes de caudal y presión sin mayores fluctuaciones y una mejor calidad de aire en lasalida, por ser su temperatura de salida menor y con menor cantidad de contaminan-tes sólidos y líquidos.

Compresores Roots

Son también conocidos con el nombre delóbulo o soplante. Transportan solamenteel volumen de aire aspirado del lado deaspiración al de compresión, sin compri-mirlo en este recorrido. No hay reducciónde volumen y por lo tanto tampocoaumento de presión. El volumen quellega a la boca de descarga, todavía conla presión de aspiración, se mezcla con elaire ya comprimido de la tubería de descarga y se introduce en la cámara, llegandoésta a la presión máxima siendo luego expulsado. Un juego de engranajes accionalos rotores en forma sincrónica y evita que se rocen entre si.Resultan apropiados cuando se requiere aire comprimido a bajas presiones comple-tamente libre de rastros de lubricante. Sólo se alcanzan presiones no muy superioresa los 1,5 bar y por tal razón su uso es restringido en aplicaciones neumáticas.

Compresores a Paleta

El aire penetra en la carcasa del compresor, a través de un deflector acústico y acce-de al compresor mediante un filtro de aire. El aire es mezclado con aceite de lubrica-ción antes de entrar en el estator. Dentro de éste, un rotor rasurado simple con seispaletas gira rozando éstas por el interior del estator, atrapando sucesivas cámaras deaire, las cuales son progresivamente comprimidas durante el giro debido a la excen-tricidad entre el rotor y es estator. El aceite es inyectado dentro del estator paraenfriarlo, estanqueizar y lubricar las paletas.Luego, el aire pasa a través de un deflector mecánico que separa el aceite. Este acei-te es recogido y enfriado en el cambiador de calor a una temperatura controlada yluego será filtrado antes de su reinyección dentro del estator para lubricar el rotor, laspaletas y los rodamientos. El aire que sale del separador es enfriado en un cambia-dor integral antes de salir del compresor.El caudal de salida de estos compresores es regulado de acuerdo con la demanda,por medio de una válvula de control de admisión, y una válvula de control reduce lapresión cuando el compresor marcha en vacío.

Turbocompresores

Funcionan según el principio de la dinámica de los fluidos, en donde el aumento depresión no se obtiene a través del desplazamiento y reducción de volumen, sino porefectos dinámicos del aire. Son muy apropiados para grandes caudales. Se fabricande tipo radial y axial. El aire se pone en circulación por medio de una o varias ruedasde turbina. Esta energía cinética se convierte en una energía elástica de compresión.

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VÁLVULA LIM ITADORA DE PRESIÓN

COMPUERTA

VÁLVULA DE CIERRE

VÁLVULA DE VACIADO DE AGUA

TERMÓMETRO

MANÓMETRO

Turbocompresores radiales

Funcionan bajo el principio de la compre-sión del aire por fuerza centrífuga y cons-tan de un rotor centrífugo que gira dentrode una cámara espiral, tomando el aire ensentido axial y arrojándolo a gran veloci-dad en sentido radial. La fuerza centrífu-ga que actúa sobre el aire lo comprimecontra la cámara de compresión. Puedenser de una o de varias etapas de compre-sión consecutivas, alcanzándose presio-nes de 8 bar y caudales entre 10.000 y 200.000 Nm3/h. Son máquinas de alta velo-cidad, siendo ésta un factor fundamental en el funcionamiento, ya que está basadoen principios dinámicos, siendo la velocidad de rotación del orden de las 15.000 a20.000 r.p.m. y aún más.

Turbocompresores axiales

Se basan en el principio de la compresión axial y consisten en una serie de rodetesconsecutivos con alabes que comprimen el aire. Se construyen hasta de 20 etapasde compresión (20 rodetes) El campo de aplicación de este tipo de compresor alcanza caudales desde los 20000’a 50000 Nm3/h y presiones de 5 bar, raramente utilizados en neumática Industrial.

RECUERDE que...

Debido a su suministro de gran cantidad de m3/min. y baja presión, la mayoría de loscompresores de flujo axial están limitados a aplicaciones para procesar aire. No sonde uso común en la industria.

Depósito de aire comprimido

El acumulador o depósito tiene la función de estabilizar el suministro de aire compri-mido. Compensa las oscilaciones de presión en la red de tuberías, a medida que seconsume aire comprimido.Gracias a la gran superficie del acumulador, el aire se refrigera adicionalmente. Poreste motivo, en el acumulador se desprende directamente una parte de la humedaddel aire en forma de agua.


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El ábaco siguiente permite calcular el volumen del depósito, con el dato del ∆P de regulación, el caudal de compresor y el número de maniobras horarias en un servicio intermitente.

¿Cuáles son las funciones principales del depósito o acumulador?

• Obtener una considerable acumulación de energía, para afrontar picos de consumo que superen la capacidad del compresor.

• Contribuir al enfriamiento del aire comprimido y la disminución de su velocidad,actuando así como separador de condensado y aceite proveniente del compresor.

• Amortiguar las pulsaciones originadas en los compresores, sobre todo en losalternativos.

• Permitir la regulación del compresor compensando las diferencias entre el caudalgenerado y el consumido, los cuales normalmente son diferentes.

Su capacidad dependerá de...

• Las características de la demanda del aire en la red. Esta puede ser constante,intermitente o instantánea.

• Del sistema de regulación que tenga el compresor. Esto determina el númeromáximo de maniobras horarias “Z”: normalmente 10 cuando es por marcha yparada, 60 o más cuando es por carga y vacío.

• De la amplitud del rango de presiones, dentro del cual regula el compresor (∆p de regulación): normalmente 0,8 - 1 bar con regulación por marcha y paraday 0,3 – 0,5 bar con regulación por carga y vacío.

¿Cómo se utiliza?

Desde el dato del caudal del compresor se intercepta la diagonal del ∆P de regula-ción, y desde ese punto se levanta una recta auxiliar que intercepte la otra diagonaldel número de maniobras horarias Z.Ahora desde ese punto, se podrá obtener el dato del volumen del acumulador, paraun servicio de tipo intermitente.

Particularidades constructivas

El depósito debe:

• Ubicarse en un lugar fresco, lo más cerca posible del compresor, preferente-mente fuera del edificio donde pueda disipar parte del calor producido en lacompresión.

• Ser firmemente anclado al piso, para evitar vibraciones debidas a las pulsacionesdel aire.

Los accesorios mínimos que deberán incluir son:

• Válvulas de seguridad• Manómetro• Grifo de purga

Válvulas de seguridad – Manómetro – Grifo o Válvula de purga

La válvula de seguridad debe ser regulada a no más del 10% por encima de la pre-sión de trabajo y deberá poder descargar el total del caudal generado por el compre-sor. Deberá contar además, con un dispositivo de accionamiento manual para probarperiódicamente su funcionamiento.Cuando el tanque se instala en el exterior y existe peligro de temperatura por debajode 0°C, el manómetro y la válvula de seguridad, deben conectarse con tuberías paraubicarlos en el interior. Estas tuberías deben tener pendiente hacia el depósito paraque sean autodrenantes.

Las cañerías para el control (regulación) deben ser conectadas al depósito en unpunto donde el aire sea lo mas seco posible. Es importante que esté provista de unfiltro con válvula de purga, para permitir drenar el agua y aceite acumulado y asegu-rar un perfecto funcionamiento del sistema de regulación. Instale un regulador de pre-sión que permita independizar la presión de trabajo del compresor de aquella con queoperan los sistemas de regulación (normalmente 4 – 6 bar)

En algunas instalaciones el Presostato de regulación y la electroválvula que coman-da el dispositivo de regulación (abre válvulas), se ubican cerca del depósito, en otroscasos, estos elementos forman parte de un tablero de control general.Cuando se coloque una válvula de cierre en algunas de estas cañerías, deberátenerse especial cuidado de que el compresor esté desconectado mientras la vál-vula esté cerrada.Se debe tener presente que el depósito constituye un elemento sometido a presióny por lo tanto existen regulaciones oficiales respecto a sus características cons-tructivas. Además, existen normas y códigos que regulan su cálculo, diseño, fabri-cación y ensayos.

2 . 2 . 1

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Si se desea una elección más conservadora, puede realizarse el cálculo con un coe-ficiente de demanda del 70%, resultando:

Distribución del aire comprimido

Redes de distribución

Cada máquina y mecanismo necesita una determinada cantidad de aire, siendo abas-tecido por un compresor, a través de una red de tuberías.El trazado de ésta se realizará considerando:

• Ubicación de los puntos de consumo.• Ubicación de las máquinas.• Configuración del edificio.• Actividades dentro de la planta industrial.


< <

RECUERDE que...

Nunca instale válvulas de bloqueo entre el depósito y la válvula de seguridad, pues loprohíben los reglamentos. En los tamaños pequeños la inspección se realizará pormedio de una simple boca bridada de 100 a 150 mm de diámetro, en los tamañosmayores estas bocas serán del tipo entrada de hombre (460 a 508mm)

Determinación de la capacidad de los compresores

La capacidad de los mismos puede determinarse aplicando el siguiente procedimiento:

1. Determinar el consumo específico de todas las herramientas o equipos de laplanta que consuman aire comprimido en Nm3/min.

2. Multiplicar dichos consumos por el coeficiente de utilización individual, que es eltiempo del equipo funcionando con relación al tiempo total de un ciclo completode trabajo o el porcentaje del tiempo de utilización sobre una hora de trabajo.

3. Sumar dichos resultados.4. Agregar entre un 5 a un 10% del valor computado en 3), para totalizar las

pérdidas por fugas en el sistema. 5. Adicionar un cierto porcentaje para contemplar las futuras ampliaciones, esto es

muy importante, ya que de otra manera las disponibilidades del sistema seríanampliamente superadas.

El resultado así obtenido (Qn) deberá ser cubierto por la capacidad del o de los com-presores (Qc), que si bien podrían llegar a funcionar con un coeficiente de demandadel 100%, esto implicaría la marcha continua del compresor. Por lo tanto, elegiremosel mismo para un coeficiente de demanda del 80%, obteniendo la capacidad del com-presor dividiendo el valor de Qn antes hallado por el valor 0,8 (80%), resultando:

2 . 2 . 1 . 2

2 . 3

2 . 3 . 1

Y teniendo en cuenta los siguientes principios:

• Trazar la tubería de modo de elegir los recorridos mas cortos y tratando que engeneral sea lo más recta posible, evitando los cambios bruscos de dirección, lasreducciones de sección, las curvas, piezas en T, etc., con el objeto de produciruna menor pérdida de carga.

• En lo posible tratar que el montaje de la misma sea aéreo, esto facilita la inspección y el mantenimiento. Evitar las tuberías subterráneas, pues no sonprácticas en ningún sentido.

• En el montaje contemplar que puedan desarrollarse variaciones de longitud producidas por dilatación térmica, sin deformación ni tensiones.

• Evitar que la tubería se entremezcle con conducciones eléctricas, de vapor, gas u otras.

• Dimensionar generosamente las mismas, para atender una futura demanda sinexcesiva pérdida de carga.

• Inclinar las tuberías ligeramente (3%) en el sentido del flujo de aire y colocar enlos extremos bajos ramales de bajada con purga manual o automática. Esto evitala acumulación de condensado en las líneas.

• Colocar válvulas de paso en los ramales principales y secundarios. Esto facilita la reparación y mantenimiento, sin poner fuera de servicio toda la instalación.

• Las tomas de aire de servicio o bajantes nunca deben hacerse desde la parteinferior de la tubería, sino por la parte superior a fin de evitar que los condensa-dos puedan ser recogidos por éstas y llevados a los equipos neumáticos conectados a la misma.

• Las tomas y conexiones en las bajantes se realizarán lateralmente colocando en su parte inferior un grifo de purga o un drenaje automático o semiautomáticosegún corresponda.

• Atender a las necesidades de tratamiento del aire, viendo si es necesario un secado total o sólo parcial del aire.

• Prever la utilización de filtros, reguladores y lubricadores (FRL) en las tomas de servicio.

Considerando los puntos antes mencionados, el tendido de la red podrá hacersesegún dos disposiciones diferentes:

• En circuito cerrado, cuando se le haga tratamiento de secado al aire del compresor.• En circuito abierto, cuando no se haga tal tratamiento.

Debemos tener en cuenta que cuando el circuito es cerrado, la pendiente en los con-ductos es nula, puesto que es incierto el sentido de circulación, ya que éste depen-derá de los consumos y por lo tanto la pendiente carece de sentido. Por tal razón, sólose utiliza el circuito cerrado cuando se trata el aire a la salida del compresor con equi-pos secadores, según veremos más adelante.

RECUERDE que...

El diámetro de las tuberías debe elegirse de manera que si el consumo aumenta, lapérdida de presión entre el depósito y el punto de demanda no debería superar el 3%de la presión del depósito. Si la caída de presión excede de este valor, la rentabilidaddel sistema estará amenazada y el rendimiento disminuirá considerablemente. En laplanificación de instalaciones nuevas, debe preverse una futura ampliación de lademanda de aire, por ende deberán dimensionarse generosamente las tuberías. Elmontaje posterior de una red más importante supone costos aún más importantes.

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< <

Cálculo de las tuberías

Tubería principal: Es aquella que sale del depósito y conduce la totalidad del caudalde aire comprimido. Velocidad máxima recomendada = 8 m/seg.

Tubería secundaria: Son aquellas que se derivan de la principal, se distribuyen porlas áreas de trabajo y de la cual se desprenden las tuberías de servicio. Velocidadmáxima recomendada = 10 a 15 m/seg.

Tuberías de servicio: Se desprenden de las secundarias y son las que alimentan alos equipos neumáticos. Velocidad máxima recomendada = 15 a 20 m/seg.

Para su cálculo será necesario tener en cuenta:

• La presión de servicio.• El caudal en Nm3/min.

Pérdida de carga: es una pérdida de energía que se va originando en el aire com-primido, ante los diferentes obstáculos que se presentan en su recorrido hacia lospuntos de utilización.

La pérdida de carga o pérdida de presión se origina de dos maneras:

• En tramos rectos, producida por el rozamiento del aire comprimido contra lasparedes del tubo.

• En accesorios, originada en curvas, T, válvulas, etc. de la tubería.

La primera puede ser calculada con la siguiente fórmula:

2 . 3 . 2

Donde:

Con la fórmula anterior se puede calcular, si no es conocido, el diámetro de la tube-ría, definiendo una pérdida de carga admisible.

Dicha fórmula se encuentra resuelta en el siguiente gráfico:

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La segunda la evaluamos a través del concepto de longitud equivalente. Es decir,igualamos la pérdida en el accesorio con la pérdida de carga producida en un tramode cañería de longitud igual a la longitud equivalente del accesorio. Esta longituddeberá ser sumada a la longitud original (L) del tramo recto.

G ββ G ββ G ββ G ββ

10 2.03 100 1.45 1000 1.03 10000 0.73

15 1.92 150 1.36 1500 0.97 15000 0.69

25 1.78 250 1.26 2500 0.90 25000 0.64

40 1.66 400 1.18 4000 0.84 40000 0.595

65 1.54 650 1.10 6500 0.78 65000 0.555

Ejemplos

¿Cuál es el diámetro de un tramo recto de cañería de 100m de longitud por el quecirculan 3 Nm3/min. a 7 bar, siendo la pérdida de carga admisible en ese tramodel 3%?

Cálculo del ∆p

La pérdida de carga por unidad de longitud será

Entrando al gráfico por su parte superior con P1= 7bar, trazamos una vertical hastainterceptarlo con una horizontal proveniente de la escala de caudales de la dere-cha con Q = 3 Nm3/min. (punto A en el diagrama)Por dicho punto trazamos una paralela a las líneas oblicuas hasta interceptarla conla vertical levantada desde el valor de la pérdida de carga por unidad de longitud∆p = 0,0021 bar/m (punto B del diagrama)Proyectando dicho punto hacia la escala de la izquierda obtenemos en ella el diá-metro de la cañería que será de 1_”.


< <

La tabla siguiente muestra la longitud equivalente de diversos accesorios de cañeríasen función del diámetro.

Pérdidas de carga por fricción en accesorios de tuberías Valores equivalentes en metros de cañería recta

Cálculos de cañerías

2 . 3 . 2 . 1

Elemento intercalado en tuberías _” 3/8” _” _” 1” 1 _” 1 _” 2”

Válvula esclusa 0.09 0.09 0.1 0.13 0.17 0.22 0.26 0.33(Tot. Abierta)

T de paso recto 0.15 0.15 0.21 0.33 0.45 0.54 0.67 0.91

T paso a derivación 0.76 0.76 1 1.26 1.61 2.13 2.46 3.16

Curva de 90° 0.42 0.42 0.52 0.64 0.79 1.06 1.24 1.58

Curva de 45° 0.15 0.15 0.23 0.29 0.37 0.48 0.57 0.73

Válvula globo 4.26 4.26 5.66 7.04 8.96 11.76 13.77 17.67(Tot. Abierta)

Válvula angular 2.43 2.43 2.83 3.50 4.48 5.88 6.88 8.83(Tot. Abierta)

Supongamos que la misma cañería no fuera recta y tuviera ahora montados acce-sorios como ser 1válvula esclusa abierta, 7 curvas a 90°, y una T en derivación.Con el valor del diámetro de la tubería calculamos las longitudes equivalentes delos accesorios.

Longitud total a considerar ahora

Con lo que la pérdida de carga total resultará:

Como vemos este incremento de pérdida de carga producida en accesorios espequeña, cuando se trata de cañerías de gran longitud y el número de los acceso-rios no es muy grande.

Consideremos ahora el mismo caudal circulante y la misma presión, pero para unacañería de 10 m con la misma pérdida de carga total, ∆p = 0,21 bar

La pérdida de carga por unidad de longitud será:

Yendo al gráfico vemos que corresponde a una cañería de Ø = 3/4”

Considerando ahora los mismos accesorios:

MICRO34

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Con lo que la pérdida de carga total resultará:


< <

Longitud total a considerar ahora:

2 . 3 . 2 . 2

Como resultado tendremos un aumento de la pérdida de carga del 60% aproxima-damente, con lo que verificamos que la influencia sobre las pérdidas de carga enaccesorios es realmente notable en cañerías cortas, aún no siendo el número deéstos excesivamente grande.

Disposición de tuberías en Instalaciones neumáticas con redes de aire de conexión instantánea

Están compuestas de tuberías de aluminio laqueado, para obtener un aire limpio y decalidad, así como una conexión segura.En general, no se requiere mano de obra especializada.Facilita la prevención y ausencia de costos por paradas de máquina, producto de ladegradación de otras tuberías de materiales diferentes. Además, una vez realizado eltendido no es una instalación rígida, sino de fácil reciclabilidad.La pérdida de carga es mínima en estas cañerías, siendo esto un factor de importan-cia que sumado a la ausencia de fugas de la instalación suponen una disminución decostos importantes, desde el punto de vista de la generación del aire comprimido.

Fluidos utilizables:

• Aire comprimido (seco, húmedo y lubrificado)• Vacío• Gases neutros: argón-nitrógeno

Presión de servicio:

• De 13 mbar (vacío) a 13 bar constante para cualquier temperatura

Temperatura de utilización:

• De –20ºC. a +60ºC

Seguridad:

• Resistencia a los choques mecánicos: siendo de naturaleza dúctil, el materialconstitutivo del tubo (aluminio), su rotura se produce por deformación.

• Resistencia al fuego: los componentes del sistema son autoextinguibles, sin propagación de llama.

• Las redes de aire con componentes de montaje instantáneo, desmontables e intercambiables, tienen una puesta a presión de la red en forma instantánea y no precisa tiempos de secado.

• Las derivaciones en circuito abierto se realizan en forma sencilla y rápida, con bridas a cuello de cisne integrado.

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Principio de funcionamiento: conexión instantánea con arandela de sujeción Ø 16,5 mm – 25 mm. – 40mm.

arandela de sujeción introducir el tubo en el racor conexión realizada

1 conceptos básicos...

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