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• Jacobo de Jesus Gomez Gomez

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SISTEMAS DE AIRE COMPRIMIDO El aire comprimido es un elemento muy habitual en todo tipo de instalación industrial. Normalmente se emplea para obtener trabajo mecánico lineal o rotativo, asociado al desplazamiento de un pistón o de un motor neumático. En otras ocasiones, se emplea para atomizar o aplicar sprays de barnices o pinturas, que de otra forma son difíciles de bombear. En este seminario se analizará una instalación de aire comprimido para una nave industrial, detallando sus elementos básicos y dimensionándolos en función de los consumos y características requeridas. ELEMENTOS BÁSICOS DE UNA INSTALACIÓN DE AIRE COMPRIMIDO Los elementos principales que la componen son el compresor (que incluye normalmente un depósito de almacenamiento de aire comprimido), el enfriador (aftercooler), un deshumidificador (moisture separator), las líneas de suministro, y los puntos de consumo con su regulador y filtro. NEUMÁTICA La tecnología de la neumática ha ganado una importancia muy grande en el campo de la racionalización del lugar de trabajo. Ciertas características del aire comprimido han hecho este medio, bastante adecuado para usarlo en las, modernas plantas de fabricación y producción. Por lo tanto, es importante que los técnicos e ingenieros tengan un vasto conocimiento en este tema.

SISTEMA DE AIRE COMPRIMIDO Descripción del Sistema de Aire Comprimido Aunque también es utilizado para actuadores de precisión y pequeños motores neumáticos, así como en equipos tales como turbina o calderas y válvulas de control Estos equipos tienen una función de control de procesos más que de potencia. Debido a la precisión de sus componentes, el aire comprimido usado en ellos ha de tener una calidad superior a la usada en un equipo robusto. Por ejemplo, el aire ha de tener un contenido de humedad tan bajo que su punto de rocío sea siempre superior a la menor temperatura en cualquier lugar de la red con el fin de evitar la presencia de condensados.

Además, las impurezas del aire deberán ser menores que 0.1g/Nm3 y hasta un tamaño de 3 g/Nm3.

Elementos básicos de una red de aire comprimido. Los elementos principales que componen una red de aire comprimido y que describiremos a continuación son: o Compresor o Aftercooler o Enfriadores o Pre filtros o Post filtros o Secadoras/Deshidratadoras de aire o Tanques o depósitos. o Red de tuberías Aplicación de la Neumática. La tecnología de la neumática se refiere al estudio y aplicación del aire comprimido. Esta tecnología se empezó a utilizar durante la Segunda Guerra Mundial, puesto que muchas industrias en todos los países occidentales desarrollados empezaron a cambiar para emplear cada vez más equipo y maquinarias automáticas a falta de mano de obra calificada. Esta fue la época en la que se inició el concepto actual de automatización, incitando al hombre a usar aire comprimido en las plantas de producción. En la actualidad las herramientas y accesorios accionados por aire comprimido son una imagen común en cada una de las industrias. Con la introducción de la neumática en el proceso de fabricación, la industria se beneficia con un medio más barato de automatización, el cual, si se utiliza con buen juicio, puede llevar el costo de producción hacia un nivel mucho más bajo. Las siguientes características son las que hacen posible todas las ventajas de la neumática. o Amplia disponibilidad de aire. o Compresibilidad del aire. o Facilidad para transportar el aire en recipientes a presión, contenedores y tubos largos. o Características del medio de ser a prueba de incendio Construcción sencilla de los elementos neumáticos y facilidad de su manejo. o Alto grado de facilidad de control de presión, velocidad y fuerza.

o Posibilidad de un fácil, pero razonablemente confiable, control de distancia. o Mantenimiento más fácil. o Características del medio de ser a prueba de explosión. COMPRESORES. Aunque no se encuentre directamente conectado al sistema neumático, el compresor de aire desempeña un papel vital en el rendimiento global del sistema. En la industria se usan diversos tipos de compresores de aire; pero los de desplazamiento positivo son los más populares. Los compresores de desplazamiento positivo se clasifican como: del tipo rotatorio, por ejemplo, compresores de tipo espirales, de lóbulos, de paletas y reciprocantés (como el compresor de aire de pistón). En ciertas aplicaciones es esencial que el aire comprimido no contenga aceite; esto se logra por medio del compresor de aire reciprocantés del tipo de diafragma. El tanque de compresión es un equipo importante en la familia del compresor. Con el fin de contar con una alimentación ininterrumpida de aire comprimido, se debe seleccionar un tanque de tamaño óptimo. También debe darse importancia a la concentración de la humedad, al seleccionar e instalar una planta de compresores. Los compresores de aire se dividen en dos categorías principales, alternativas y rotativas. Tipos principales de compresores utilizados en los sistemas neumáticos. Compresores Alternativos. Compresor de embolo de una etapa: El aire aspirado a presión atmosférica, se comprime a la presión deseada con una sola compresión. El movimiento hacia abajo del embolo aumenta el volumen para crear una presión más baja que la de la atmosfera, lo que hace entrar el aire en el cilindro por la válvula de admisión. Al final de la carrera, el émbolo se mueve hacia arriba, la válvula de admisión se cierra cuando el aire se comprime, obligando a la válvula de escape a abrirse para descargar el aire dentro del depósito. Este tipo de compresor, alternativo, se utiliza general mente en sistemas que requieran aire en la gama de 3- 10 bares.

Compresor de embolo de dos etapas En un compresor de una sola etapa, cuando se comprime el aire por encima de los 6 bares, el calor excesivo que se crea, reduce en gran medida su eficacia. Debido a esto, los compresores de émbolos utilizados en los sistemas industriales de aire comprimido son generalmente de dos etapas. El aire recogido de la atmosfera se comprime en dos etapas, hasta la presión final. Si la presión final es de 7 bares, la primera etapa comprime el aire hasta aproximadamente 3 bares, tras lo cual se enfría. Se alimenta entonces el cilindro de la segunda etapa que comprime al aire hasta los 7 bares. El aire comprimido entra en el cilindro de la segunda etapa a una temperatura muy reducida, tras pasar por el enfriador intermedio, mejorando el rendimiento en comparación con una unidad de una sola compresión. La temperatura final puede estar alrededor de los 120 °C. (Fig. 1.2)

Filtro de Aire. La atmosfera de una ciudad típica puede contener hasta 40 partes por millón/m3 de partículas sólidas, es decir polvo, suciedad, polen, etc. Si se comprime este aire a 7 bares, la concentración seria de 320 partes por millón (320 ppm). Una condición importante para la fiabilidad y duración del compresor, debe ser la instalación de un filtro eficaz y adecuado para impedir el desgaste excesivo en los tornillos y la durabilidad del aceite, que es provocado principalmente por el efecto abrasivo de las impurezas. El filtro no debe ser demasiado fino, puesto que el rendimiento del compresor disminuye debido a la elevada resistencia al paso del aire y así las partículas de aire muy pequeñas (2 a 5 micras) no se pueden eliminar. La entrada del aire debe estar situada de forma que, en la medida de lo posible se aspire aire seco y limpio, con conductos de entrada de diámetro lo suficientemente grande para evitar la caída de presión excesiva. Los filtros están construidos de papel plegado, espuma, fibra de vidrio y algodón Depósito de Aire Comprimido. Un depósito de aire es un acumulador a presión construido en chapa de acero soldada, montado horizontal o verticalmente, directamente después del separador de aceite para recibir el aire comprimido amortiguando así las oscilaciones en el caudal de aire, a medida que se consume. Sus funciones principales son las de almacenar una cantidad suficiente de aire para satisfacer las demandas que superen la capacidad del compresor y minimizar la carga y descarga frecuentes del compresor; sin embargo, suministra también un enfriamiento adicional para

precipitar el aceite y la humedad que llegan del separador, antes de que el aire se distribuya posteriormente. A este respecto, colocar el depósito de aire en un lugar fresco representa una ventaja.

El depósito debe estar provisto de válvula de seguridad, manómetro, purga y tapas de inspección para la comprobación o limpieza interior. (Fig. 1.3)

INSTALACIÓN DE TUBERÍA DE AIRE Las redes de aire comprimido, de forma general, se conforman de dos Partes: o Línea principal o Líneas secundarias La línea principal: es la que sale de la central compresora, lleva el aire a los distintos puntos de utilización, se suele disponer de dos formas: o En circuito abierto. o En circuito cerrado.

Circuito abierto: Consiste en una entrada general, que se va ramificando hacia las distintas utilizaciones. Se emplean en instalaciones de pequeña y mediana importancia, o cuando se prevea que el consumo no afectará a la presión en el extremo del circuito. Cuando todas las derivaciones están consumiendo aire, aquéllas más alejadas de la alimentación reciben menos presión que las intermedias. Cuando se avería una determinada zona de la canalización, queda sin servicio una gran parte de la misma. (Fig. 1.4.)

Circuito cerrado: Es más, en su implantación (hay que emplear mayor cantidad de material), pero resultan ventajosas en cuanto a suministro de caudal con menos pérdidas de carga. Cuando se produce una avería en cualquier punto de la red, se puede aislar permitiendo el funcionamiento del resto de la instalación, si previamente se han dispuesto grifos o llaves de cierre convenientemente distribuidas. Se emplean en grandes instalaciones y siempre que se prevean consumos intermedios importantes. (Fig. 1.5)

Consideraciones sobre redes de aire comprimido Deben tenerse en cuenta algunos de los siguientes conceptos en las instalaciones de redes de aire comprimido: o Se evitarán las restricciones y desviaciones en ángulo recto. o Los ramales de alimentación que pasan por válvulas y canalizaciones flexibles deben ser suficientemente amplios para proporcionar el caudal máximo calibrado que requiera la herramienta o el equipo alimentado. o Las tuberías deben estar provistas de los medios adecuados para la extracción de agua y residuos. o Prever conexiones ciegas por si hay que ampliar la red. o Disponer filtros a la aspiración del compresor para evitar suciedades e impurezas. o Es aconsejable instalar las tuberías con una cierta inclinación (3% mínimo), en dirección del caudal de aire, para que la gravedad y la misma corriente del aire arrastre el agua y residuos a los colectores y o ramales de descarga localizados en los puntos bajos del circuito. o Para evitar que el agua de la línea llegue al equipo alimentado, los ramales no deben conectarse nunca en la parte inferior de la línea principal. o Es conveniente filtrar, regular, lubricar el aire tan cerca como sea posible del punto de aplicación. o las tuberías generales deben de tener los diámetros apropiados. En los puntos de consumo es habitual colocar un filtro final así como un regulador de presión que acondicione finalmente el suministro de aire comprimido. Normalmente, estos filtros en el punto de consumo permiten retener aquellas partículas que sean de tamaño inferior a las características de filtrado de elementos previos. Dimensionamiento del compresor. La selección del tipo de compresor y de su capacidad son parámetros críticos en el diseño de una instalación de aire comprimido. Una acertada elección supone un gran ahorro energético durante el funcionamiento normal de la instalación. Para elegir correctamente el tipo de compresor más apropiado para las necesidades de diseño, es preciso conocer el consumo total de aire comprimido. En general, el consumo total de aire comprimido es aquel que resulta de sumar el consumo de todos los equipos neumáticos conectados en la planta, trabajando a pleno rendimiento. Puesto que todos los elementos neumáticos de una instalación no trabajan generalmente a toda su capacidad al mismo tiempo durante las 24 horas del día, es habitual definir un factor de carga como:

Optimizar al máximo los tiempos de arranque del compresor que rellenan de aire comprimido los depósitos. En general, se establecen cinco pasos básicos para fijar correctamente la capacidad del compresor. A saber 1. Estimar el total de consumos de todos los dispositivos que emplean aire. 2. Determinar la presión más elevada que requieran estos elementos. 3. Revisar los ciclos de trabajo y determinar los factores de carga de los elementos. 4. Estimar un valor típico de fugas. 5. Fijar las máximas caídas de presión admitidas tanto para los diversos elementos como para las conducciones. 6. Otras consideraciones que afecten al diseño: condiciones medioambientales del entorno, altitud, Una vez determinado el consumo necesario y la presión demandada al compresor, se ha de elegir el tipo más adecuado para dicha aplicación. En general la figura 11 fija los límites de uso de los diversos compresores

Aplicaciones del aire comprimido Aire Comprimido para Taller Mecánico de Automóviles.

El aire comprimido es un elemento muy habitual en todo tipo de talleres mecánicos de reparación de automóviles. Normalmente se emplea para alimentar herramientas de funcionamiento neumático como atornilladores neumáticos, clavadoras y remachadoras neumáticas, taladradoras neumáticas. En otras ocasiones, se emplea en pistolas aerográficas de aire comprimido para atomizar o aplicar sprays de barnices o pinturas, que de otra forma son difíciles de bombear.

Aire Comprimido en Talleres de Chapa y Pintura. El correcto funcionamiento de un taller de Chapa y Pintura de automóviles dependerá en gran medida de la correcta elección del compresor de aire comprimido ya que este es el “corazón” del taller de chapa y pintura, debido a que por el pasan muchas horas de trabajo al día y su correcto mantenimiento favorecerá a la rentabilidad del taller. Es aconsejable considerar la contratación de su mantenimiento a personal especializado externo para que se evite problemas que supongan tiempos de inactividad en el taller. La pistola aerográfica es una herramienta que utiliza el aire comprimido para atomizar pintura u otros materiales pulverizables y aplicarlos sobre una superficie. El aire comprimido y el material a pulverizar entran en la pistola por conductos independiente, mezclándose en el exterior de la boquilla de aire de forma controlada según los ajustes aplicados.

Fig. 1.7

Aire Comprimido en la Industria del Calzado. En la actualidad, el aire comprimido es un elemento imprescindible en cualquier industria. Cada vez hay más herramientas neumáticas que son utilizadas en gran parte de la maquinaria para la fabricación de calzado y marroquinería. Desde que se inicia el proceso de cortado de la piel o el tejido para el corte del zapato, pasando por máquinas para timbrar o marcar. Durante el aparado, la amplia mayoría de máquinas de coser utilizan corta hilos y bastidores neumáticos. El prensado y montado del zapato precisa del aire comprimido para lograr el mejor ajuste del corte sobre la horma. Disponer de una presión regulada y estable de aire comprimido favorecerá la correcta fabricación del calzado.

Las prensas para la fabricación de calzado vulzanizado necesitan un compresor de aire comprimido capaz de mantener una elevada presión en el circuito para conseguir una adecuada vulcanización. Durante el acabado del zapato se utilizan pistolas de difuminar barnices y pinturas para obtener el deseado acabado del calzado antes de su envasado.

Fig. 1.8

Aire Comprimido en la Industria Textil. El sector textil ha utilizado el aire comprimido principalmente para el funcionamiento de ciertas herramientas neumáticas y para la limpieza de zonas críticas en los telares como son los peines y las agujas. Sin embargo, la constante evolución en los telares ha originado la aparición de la tejeduría a chorro de aire para adaptarse a los nuevos mercados. Esto está relacionado en parte con mejoras adicionales en los sistemas de la velocidad del aire, así como la velocidad de inserción de trama a través de la calada.

Con estas mejoras se han conseguido máquinas de tejer a chorro de aire capaces de elaborar un tejido para sábanas con un ancho de 3.11 metros, a una velocidad de inserción de 750 pasadas por min. (ppm), con cuatro inserciones de trama.

Fig. 1.9

Aire Comprimido en Talleres de Carpintería Metálica El aire comprimido está ampliamente utilizado en talleres de carpintería metálica y madera. No solo herramientas como grapadoras y remachadoras neumáticas utilizan el aire comprimido para su correcto funcionamiento sino cada vez más se utilizan prensas neumáticas capaces de realizar en aluminio, toda clase de ranuras, punzonados, taladros, mediante un pistón neumático.

Fig. 2

Aire Comprimido en la Fabricación de Muebles. En el sector del mueble, el aire comprimido juega un papel fundamental dentro de los procesos de fabricación y ensamblaje de muebles. Además de las herramientas neumáticas que agilizan considerablemente el proceso del ensamblado del mueble, el aire comprimido se emplea en

las pistolas de pintar con aire comprimido que consiguen realizar acabados donde otros sistemas de lacado y pintura no lo consiguen. Pero he aquí que para conseguir terminaciones muy específicas en muebles que presentan muchas superficies curvas la cubeta de pintura y el rodillo no garantizan un buen acabado. Se impone usar otra herramienta, la pistola de aire comprimido.

Fig. 2.1

Aire Comprimido en la Industria Agro Alimentaria y Bebidas. El empleo del aire comprimido en la industria de la alimentación y las bebidas es más que imprescindible. Procesos donde el aire comprimido debe estar 100% exento de aceite para controlar válvulas y actuadores en líneas automatizadas de llenado, envasado y embotellado. También La contaminación por aceite puede provocar daños en los componentes y contaminación del producto. Por ejemplo el aire comprimido se utiliza habitualmente para efectuar el transporte de la leche en polvo o el cacao por tubos de productos alimenticios. Aire comprimido 100% exento de aceite para los procesos de fermentación utilizados en la producción de vino, cerveza y yogurt así como en la fabricación de ingredientes alimentarios que contengan ácido cítrico

Fig. 2.2

Es una nueva opción entre las energías renovables. El aire comprimido forma parte de un ambicioso proyecto que puede tener lugar en California y que consiste en almacenar aire comprimido en cavidades naturales del subsuelo para poder utilizar su presión y generar electricidad para su consumo posterior en la red eléctrica. Grutas y Cavidades naturales como depósitos de Aire Comprimido. California que espera para el 2.020 conseguir que el 33% de su electricidad generada provenga de energías renovables ha estado investigando nuevas formas de energía para equilibrar los altibajos que se crean durante la generación de la energía eólica especialmente durante la noche. ¿La solución? Aire comprimido subterráneo simple de la tecnología. Con almacenaje de energía del aire comprimido; el aire es comprimido y después bombeado en depósitos subterráneos naturales. El aire se lanza más adelante y se convierte en electricidad. Con bastante almacenaje, incluso el viento voluble podía suministrar realmente energía de cargamento de base ¿La solución? Aire comprimido almacenado en capas subterráneas del subsuelo. Almacenando energía en forma de aire comprimido, el aire es comprimido y después bombeado en depósitos subterráneos naturales. El aire se lanza posteriormente a presión y es convertido en electricidad. Con un almacenaje suficiente, incluso se podría conseguir un abastecimiento uniforme en forma de energía. Detrás del proyecto se encuentra la empresa Norte Americana PG&E (Pacific Gas & Electric Company), que estima que este proyecto le llevará cinco años para su diseño, obtención de permisos y construcción.

Las turbinas de viento comprimirían el aire durante momentos de bajo consumo y después extraerían el aire comprimido del depósito durante épocas de necesidad energética. Los picos de consumo de energía durante momentos como el centro del día, hacen de este proyecto una gran solución.

Fig. 2.3

El almacenaje de energía en forma de aire comprimido o CAES (Compressed Air Energy Storage) permite magnitudes de mayor capacidad que las típicas baterías para uso general y parece ser la forma más rentable de almacenaje de energía según las conclusiones obtenidas por algunos técnicos expertos del instituto de investigación de la energía eléctrica y en un estudio sobre CAES realizado conjuntamente con la Universidad de Princeton y que concluyó: “CAES parece tener muchas de las características necesarias para transformar el viento en una fuente que sirva de apoyo a la producción eléctrica global. El almacenaje de la energía en forma de aire comprimido puede permitir al viento resolver una importante porción de las necesidades de la electricidad en un mundo competitivo aún sujeto al consumo de energías fósiles como el petróleo o el carbón.” Actualmente este concepto ya ha sido probado y funciona de hecho en la cooperativa eléctrica de Alabama, donde desde hace 20 años utiliza un sistema de 100 megavatios CAES. En la actualidad otro nuevo

proyecto se está moviendo en Iowa, que conseguiría el 15% de su electricidad del viento. El almacenaje de aire comprimido puede permitir que sea el viento quien suministre la energía de base a menor coste que construyendo centrales eléctricas aprovisionadas con combustible fósiles.

Fig. 2.4