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INSTALACIÓN DE AIRE COMPRIMIDO Son maquinas que aspiran el aire del ambiente a la presión atmosférica y lo comprimen hasta conferirle una presión superior. Existen varios tipos de compresores, dependiendo de la elección de las necesidades y características de utilización. En los sistemas de aire comprimido, el aire aspirado por el compresor entra a la presión y temperatura ambiente con su consiguiente humedad relativa. Luego se lo comprime a una presión más elevada lo que produce un calentamiento del aire al grado que toda su humedad pasara por el compresor al ser aspirado. Este aire, ahora comprimido, al ir enfriándose en el deposito y tuberías de distribución hasta igualar la temperatura ambiente, condensará parte de su humedad en forma de gotas de agua. Parte de este condensado podrá ser separado en el deposito o en equipos separadores, siendo eliminado del sistema y parte arrastrado y transportado en forma de fase líquida, partículas metálicas provenientes de su desgaste, así como óxidos metálicos desprendidos de cañerías y polvo atmosférico, constituyéndose en la principal fuente de deterioro de los componentes neumáticos. Las líneas de compresión están entre 7 y 8 Kg/cm2, pero hay casos especiales. Según las normas Iram 2505 el color de las cañerías que transportan aire comprimido es de color azul. APLICACIONES En las plantas hay una serie de maquinas tipo manual y las neumáticas (estas son las preferidas por la seguridad). Los principales campos de aplicación son:  Equipos neumáticos  Refrigeración  Transmisión de gases  Combustión. VOLUMEN DE AIRE COMPRIMIDO El volumen debe estar referido siempre a la misma presión y temperatura: QN  Q A

TN PA PA  PV T A PN PN

QN = Volumen en normal a temperatura y presión de referencia (760 mmHg y 0ºC)  m3 

QA = Volumen en efectivo en las condiciones de aspiración    h  TN = temperatura absoluta normal de referencia [273ºK] TA = temperatura absoluta del aire en condiciones normales de aspiración  Kg  PA = presión absoluta del aire en la aspiración  2   cm   Nm 3  Kg  expresado en cm 2  h 

PN = presión absoluta a la cual se refiere 

 = humedad relativa en las condiciones normales de aspiración en porcientos  Kg  PV = presión absoluta parcial del valor de agua saturada a la temperatura de aspiración  2  . Esta  cm  presión se obtiene de tablas termodinámicas. Para determinar el trabajo de compresión se parte de la termodinámica. Si es rápido, es ciclo adiabático; y si es lento es ciclo isotérmico. Cuando el aire se comprime, se calienta y se le aplica una refrigeración. Se realiza en dos etapas: en la primera se comprime y se enfría, y en la segunda se comprime a presión final.

Condiciones normales P = 760 mmHg T = 0ºC La presión absoluta es en vacío y la relativa es la presión atmosférica. COMPRESORES DE UNA ETAPA O DE VARIAS ETAPAS La compresión mediante varias etapas, lleva implícita una serie de fases de intercambio de calor, con el fin de reducir la temperatura, sin bajar la presión conseguida, con el consiguiente ahorro de energía. Kg 1- Una etapa: de 4 a 5 cm 2 Kg 2- Dos etapas: de 15 a 20 cm 2 * Características de la compresión por etapas:   

El gas se comprime en varias fases. Entre cada una de las etapas el gas se refrigera (intercooling). El volumen del gas se reduce en cada etapa y al presión continua aumentando.

FACTORES QUE AFECTAN A LA COMPRESIÓN Los más importantes son:  Temperatura: Altas temperaturas necesitan sistemas de refrigeración, los cuales la mayoría funcionan con agua.  Humedad relativa: - La condensación del agua - El agua perjudica al aceite y al aire producido.  Tipo de gas: Hay que asegurarse de que no reaccione con el aceite.  Presión: Vigilar las diferencias entre la presión de descarga y la presión de entrada. Las ventajas de la compresión por etapas son las siguientes:  Mejor rendimiento (Necesita menor energía para una misma presión de salida).  Menores temperaturas de salida que en las compresiones de una etapa (reduciendo la cantidad de depósitos y aumentando la vida del compresor).  Mayor facilidad para alcanzar mayores presiones. TRABAJOS DE COMPRESIÓN DEL AIRE Cuando comprimimos el aire seguimos la siguiente expresión: P  V n  cte

isotérmicamente  n = 1 adiabática  n = 1,4

El trabajo de compresión sería igual a : P2

Li   Vd P  LW P1

LW = pérdidas mecánicas P1 = presión ambiente P2 = presión deseada

El trabajo de compresión de la isoterma será:

Lis = R T1 Lm 

El trabajo de compresión de la adiabática será: Ladiab

k  RT1 (  k 1

k 1 k

 1)

R = constante de elasticidad del aire y es igual a 29,3 T1 = temperatura del aire de aspiración [ºK]  = relación de compresión K = exponente (adiabática = 1,41; isoterma = 1; 1< k < 1 valores intermedios) El trabajo de compresión de la politropica será: L polit 

m RT1 (  m 1

m 1 m

 1)

DIAGRAMAS EN DONDE SE REPRESENTAN LOS TRABAJOS Me da la potencia teórica para comprimir 100

Kg m3 de aire comprimido a la presión de 1 y a la cm 2 h

temperatura final de aire comprimido. Potencia necesaria Kw

Compresión isotérmica Compresión adiabática

Temperatura final de compresión Relación de compresión En la práctica, para mejorar el rendimiento de los compresores, debo primero comprimir hasta un determinado valor, luego enfriar y volver nuevamente a comprimir. Es por esto, que es conveniente utilizar un compresor a dos etapas.

TIPOS DE COMPRESORES desplazamiento fijo Tipos de compresores

alternativos Rotativos

A pistón a membrana a paletas A tornillo roots

Desplazamiento Variable (turbocompresores)

Radial Axial

SELECCIÓN DE LOS COMPRESORES Para realizar la elección se debe hacer un análisis de el punto de vista técnico y económico (hay que tener en cuenta el mantenimiento, amortización, consumo de energía, etc) y de seguridad requerida. Dependerá del trabajo requerido para lo cual se necesitará un volumen y presión determinada de aire comprimido, donde dicho trabajo será realizado sobre las condiciones de una politrópica. Kg/cm2 Compresores rotativos Compresores dinámicos Compresores a pistones

m3/h Si analizamos los consumos de energía para los tres tipos de compresores tenemos: Kwh

m3 min

1- embolo 2- tornillo 3- dinámico

m3/min El consumo de energía está expresado en específicos de 5

Kwh de aire libre aspirado. Los consumos m minuto 3

Kwh es muy bajo y se puede obtener para compresores de media y gran caudal m minuto 3

empleando agua de enfriamiento a una temperatura inferior. Por lo menos a 10º con respecto a la temperatura ambiente. El consumo específico de energía del compresor enfriado por aire es de generalmente entre 3 a 5% superior a aquel compresor enfriado por agua. La energía eléctrica absorbida en vacío con respecto a la potencia absorbida a plena carga podemos decir que en los compresores a émbolo absorben de 7 a 12 % trabajando en vacío a plena carga. Para los compresores rotativos trabajando en vacío absorben de 12 a 15% y los turbocompresores de 15 a 17%.

SECADO DEL AIRE COMPRIMIDO

El aire comprimido lo tomamos del medio ambiente y además de contener nitrógeno y oxígeno, contiene vapores y humedad. Estos los debemos filtrar para que no perjudique en ninguna de las aplicaciones de los compresores. Para esto se debe filtrar o colocar una trampa o separadores en las cañerías. La sala de compresión, debe estar fuera de la sala de producción, es por varios factores, uno de ellos el ruido. * Aplicaciones donde se necesita separar la humedad Para separar la humedad que contiene el aire comprimido, debemos realizar un proceso de enfriamiento. El diagrama que se va a utilizar para este proceso es el siguiente: P Kg 200,5 cm 2

Curvas isotérmicas del fluido

V El vapor sobrecalentado a la salida de la caldera se calienta para que tarde más tiempo en condensar.

Tengo un pistón con un cierto volumen. También hay una serpentina de enfriamiento.

Compresor 1º etapa

Refrigeración intermedia

Compresor 2º etapa

Refrigeración final

Aire aspirado

condensado

Se elimino 12 – 2.2 = 9.8

condensado

gramos  H 2 O m3

Diagrama sicométrico % Humedad relativa del diagrama aspirado

% Humedad absoluta en gramos / agua

12 Aire comprimido saturado 20ºC

A

6 2.2

B

C

D

E 2.8

7

Kg/cm²

Sistemas para el secado de aire (eliminar agua) El aire comprimido que fluye del post enfriamiento y del depósito pulmón, normalmente instalado uno a continuación del otro, tiene un punto de rocío no inferior a 30ºC. Por lo tanto, da lugar a la formación no despreciable de una cantidad de condensado dentro de la red de distribución debido a la condensación de vapor de agua aún contenido en el aire. A fin de evitar tal fenómeno se recurre a instalaciones de secado que reducen posteriormente la humedad relativa contenida en el aire comprimido. 1) Una de las formas es el enfriamiento. Para bajar las temperaturas se usan compresores frigoríficos, se baja el punto de rocío. ( la humedad es del 100% en el punto de rocío). 2) Otro sistema es colocar materiales recuperables que absorban la humedad.  Secado por enfriamiento Hay un secado que se basa, en principio, de que la cantidad de condensado separado aumenta con la reducción de la temperatura. Para realizar el enfriamiento se puede utilizar un grupo frigorífico normalmente freón 12 ó 22 constituido por un compresor que utiliza freon y 2 intercambiadores de calor (uno de aire-aire y otro de aire freón) y un condensador de freón.

La figura esquematiza una instalación de secado mediante enfriamiento del aire en dos etapas comprende el enfriamiento mediante circulación a contracorriente del aire proveniente de la segunda etapa donde ha cedido calor al fluido frigorífico circulando en el circuito cerrado. El aire sale de la instalación cerca de 20 a 25ºC y con una humedad residual correspondiente a la temperatura de rocío Kg de 2 a 3º C. A tal temperatura considerando una presión de trabajo de 7 el contenido residual de cm 2 gr agua es aproximadamente 0,5 3 de aire ambiente. m Durante el enfriamiento del aire se elimina también las partes menos volátiles del aceite. En estos casos, se recurre a filtros cerámicos instalados en la proximidad de los usuarios a distintas instalaciones de secado basada en el sistema de absorción con lo cual se alcanza puntos de rocío muy bajos. En ambos casos, la cantidad residual de humedad y de vapores de aceite son menores pero el costo operativo es mayor respecto a las instalaciones de ciclo frigorífico.  Secado utilizando materiales absorbentes

El principio en el cual se basan el secado por absorción consiste en hacer pasar el aire proveniente del refrigerador final a través de un lecho de material absorbente. Como material absorbente se utilizan: - alúmina activada - gel de sílice - carbón activado Las principales propiedades de tales materiales son: 1- si es atravesado por aire húmedo absorben el valor de agua y dejan pasar el aire. 2- Una vez saturado de vapor de agua absorbido es colocado en procedimientos de secado (regeneración) y retornan a la condición de partida pronto para absorber nueva humedad. Las instalaciones de este tipo se distinguen por la simplicidad de conducción (operativa) requiriendo la recarga del medio absorbente de períodos de tiempos largos. Tiene una prestación modesta y es empleado para bajar algún grado el punto de rocío de gran masa de aire. Aire comprimido a secar Válvula giratoria Materiales que absorben humedad: - Alumina activada - Gel de Silicio - Carbón Activado

los dos materiales son iguales

Descarga a la atmosfera

resistencias

Aire comprimido

seco El aire entra de arriba, pasa por el material absorbente y sale por las válvulas seco. Cuando el material se satura se invierten los materiales, es decir, se utiliza el seco y el húmedo se seca con las resistencias. La otra alternativa es cambiar el material pero ello implica mayor costo. Si los materiales absorbentes no son recuperables: 3º Método. El material absorbente puede ser cloruro de sodio o fosfato de calcio. El consumo de material absorbente es aproximadamente 1 Kg por cada 10.000 Nm3 de aire tratado. La capacidad del depósito se elige de manera tal que la sustancia absorbente asegure algunos meses de operación continua. filtro Aire seco

Filtro de carbón activado Aire comprimido a secar

Compuestos químicos: Cloruro de Sodio, Fosfato de Calcio, Etc..

Estos materiales cuando se saturan se tienen que cambiar. Cuando tengo mucho agua se debe enfriar por etapas, se utiliza el intercambiador de calor, etc y luego se utiliza el filtro fino. ENFRIAMIENTO FINAL Y DEPÓSITO DE AIRE COMPRIMIDO El enfriamiento del aire se obtiene a través de un intercambiador de calor donde el aire pasa por el interior de los tubos y el agua por la parte exterior. El agua del condensador se recoge en un separador adecuado.

Entre otros casos, el aire después de enfriado va a otro tanque y ahí es condensado. En las instalaciones de algunos centenares de

Nm 3 de caudal se colocan tanques pulmones que hora

tienen la siguiente función: a) Asegurar a la red un caudal de aire lo más constante posible limitando el tiempo de funcionamiento del compresor b) Interrumpir el funcionamiento del motor del compresor para tiempos que dependen de la marcha de consumo de aire comprimido. 1- compresor 2- columna de enfriamiento (separa la humendad) 3- filtro de aire 4- tanque (cumple la función de pulmón)

DEPÓSITOS DE AIRE COMPRIMIDO Puede ser vertical u horizontal. El depósito deberá ubicarse en un lugar fresco, lo más cerca posible del compresor, preferentemente fuera del edificio, que pueda disipar parte del calor producido por la compresión. Debe estar anclado al piso para evitar vibraciones debidas a pulsaciones del aire.

Las funciones principales del deposito son: 1- Obtener una considerable acumulación de energía para afrontar picos de consumo que superan la capacidad del compresor. 2- Contribuir al enfriamiento del aire comprimido y la disminución de su velocidad. 3- Amortiguar las pulsaciones originadas en los compresores, especialmente en los alternativos. 4- Permitir la regulación del compresor, compensando las diferencias entre el caudal generado y el consumido, que normalmente trabajan con regímenes diferentes.

Su capacidad dependerá de: 1. las características de la demanda de aire en la red. Esta puede ser constante, intermitente o instantánea. 2. Contribuir al enfriamiento del aire comprimido y la disminución de su velocidad. 3. de la amplitud del rango de presiones dentro del cual regula el compresor. Los accesorios que deberán incluir son:  válvula de seguridad  manómetro  grifo de purga  boca de inspección La válvula de seguridad debe ser regulada a no mas de 10% por encima de la presión de trabajo y deberá poder descargar el total del caudal generado por el compresor. Cuando el tanque se instala en el exterior y existe peligro de temperatura por debajo de 0ºC, el manómetro y la válvula de seguridad, deben conectarse con las tuberías para ubicarlos en el interior, con pendiente hacia el deposito para que sean autodrenantes. REDES DE DISTRIBUCIÓN INTERNA De la sala de compresores, el aire comprimido pasa a la red de distribución. Esta gneralmente es del tipo anillo pero también puede ser tipo peine. Cuando se debe alimentar sectores o edilicios y pabellones separados entre sí, tenemos una red principal con una serie de derivaciones según corresponda. Las cañerías de conducción del aire comprimido se instalan con una pendiente del 0,2 a 0,5% en el sentido de movimiento del aire. El trazado se realiza considerando: 1- Ubicación de los puntos de consumo. 2- Ubicación de las maquinas. 3- Configuración del edificio. 4- Actividades dentro de la planta industrial. Y teniendo en cuenta los siguientes principios: A. Trazado de la tubería de modo de elegir los recorridos mas cortos y tratando de que en general sea lo mas recta posible, evitando los cambios bruscos de dirección, las reducciones de sección, las curvas, las piezas en T, etc., con el objeto de producir una menor pérdida de carga. B. Tratar de que el montaje de la misma sea aéreo, esto facilita la inspección y el mantenimiento. Evitar tuberías subterráneas ya que no son practicas. C. En el montaje considerar que pueden producirse variaciones de longitud producidas por dilataciones térmicas, sin deformaciones ni tensiones. D. Evitar que las tuberías se entremezclen con tuberías de vapor, eléctricas, gas, etc. E. Dimensionar generosamente las mismas para atender a una futura demanda pero sin excesiva perdida de carga. F. Inclinar la tubería ligeramente un 3% en el sentido del flujo del aire y colocar en los extremos bajo ramales de bajada con purga manual o automática. Esto evita la acumulación de condensado en las líneas. G. Colocar válvulas de paso en los ramales principales y secundarios, esto permite realizar la reparación y mantenimiento sin dejar fuera de servicio toda la instalación. H. Las tomas de aire de servicio nunca deben hacerse desde la parte inferior de la tubería sino desde la parte superior a in de evitar que los condensados puedan ser recogidos por estas y llevados a los equipos neumáticos conectados a la misma. I. Las tomas y conexiones en las bajantes se realizaran lateralmente colocando un grifo de purga o automático.

J. Atender a las necesidades de tratamiento del aire, viendo si es necesario un secado total o parcial del mismo. K. Prever la utilización de filtros, reguladores y lubricadores en las tomas de servicio. Considerando los puntos anteriores mencionados el tendido de la red se podrá realizar según dos disposiciones diferentes: a) En circuito cerrado o abierto cuando se le haga tratamiento de secado del aire a la salida del compresor. b) En circuito abierto cuando no se haga tratamiento. Distintos casos: a) El aire no se seca previamente: cuando el aire no está tratado en las instalaciones de secado en los puntos más bajos de la red se coloca una trampa que puede tener o no descarga automática (depende del nivel de oscilación). Las dimensiones de los grupos descargadores (trampas) dependen del caudal de aire y de la presión. Cuando se requiere instalaciones que requieren aire sin agua y aceite en número limitado que no justifica instalación de secado o centralizado colocamos filtros separadores.

Como el aire que tomamos tiene la máxima humedad tenemos que tener un sistema de enfriamiento y trampas para eliminar el condensado. Si necesitamos en un solo equipo aire seco, debemos tratar solo ese equipo y no el total. Para esto se colocan filtros separadores de condensado generalmente de tipo absorbente, salida como gel de sílice, alúmina, carbón activado, sulfato de calcio, etc. La capacidad absorbente de tales materiales se reducen con el tiempo, por lo tanto es necesario procedes a su regeneración que se puede obtener con aire caliente impulsado por un ventilador y calentado eléctricamente o por algún medio. b) El aire está secado previamente: cuando el aire es secado en forma centralizada, no es necesario colocar en la red ningún descargador automático de condensado, salvo casos especiales. Para calcular las pérdidas de carga analíticamente: P     a 

v2  L 2g  D

P = Caída de presión entre dos puntos.  = Coeficiente del rozamiento del movimiento del aire dentro del tubo. Kg  a = Peso de la unidad de volumen del aire ( 3 ) m m

v = velocidad del aire ( seg ). D = diámetro interno de la cañería (m).

g = gravedad L = longitud de la cañería equivalente (m) (longitud real + longitud de las pérdidas locales) Otra manera de calcular la pérdida de carga: P  1,6 x10 8

d: diámetro interno de la cañería (mm) L: longitud de la cañería equivalente (m)

Q 1,85  L d 5  Po

Po: presión inicial (kg/cm2) Q: caudal de aire (m3/min)

En la práctica también podemos utilizar diagramas que suministran las pérdidas de carga en función de caudal de aire, presión, longitud y diámetro de los tubos. Como valores indicativos para los diámetros y caudales normales válido para longitudes de 100 Kg metros y presiones de 7 cm 2

longitud del tubo

200

25

150 Caída de presión en

Kg cm 2 m

La velocidad del aire de la cañería no debe superar nunca de 10 a 12 seg y las pérdidas de carga Kg máxima entre compresores y el extremo más alejado de la instalación debe estar entre 0,2 y 0,5 . cm 2 Las pérdidas de carga localizadas como ser válvulas de distinto tipo, codos, curvas, reducciones, t, etc, deben determinarse de tablas entregadas por los fabricantes de dichos elementos según el material empleado, terminación superficial interna y velocidades del aire que circula por el interior para la cual fue determinadas dichas pérdidas de carga. CALCULO DE LAS TUBERIAS

1- Tubería principal: es aquella que sale del deposito y conduce la totalidad del caudal de aire comprimido. Velocidad máxima recomendada = 8m/seg. 2- Tubería secundaria: se derivan de la principal distribuyéndose por las áreas de trabajo. De ellas se desprenden las tuberías de servicio. Velocidad máxima recomendada = 10 a 15 m/seg. 3- Tubería de servicio: se desprenden de la secundaria y son la que alimentan a los equipos neumáticos. Velocidad máxima recomendada = 15 a 20 m/seg. Para su calculo será necesario tener en cuenta: a) presión de servicio b) el caudal en Nm3/min. c) las perdidas de carga: estas son perdidas de energía que van originándose en el aire comprimido ante los diferentes obstáculos que se presentan en su recorrido hacia los puntos de utilización. La perdida de carga admisible en las bocas de utilización no debe ser mayor que el 3% de la presión máxima de deposito. La perdida de presión se origina de dos maneras: 1- Pérdidas de carga en los tramos rectos producida por el rozamiento del aire comprimido contra las paredes del tubo. Se calculan con la siguiente formula: ∆P= (λ /R*T)*(v2/D)*L*P ∆P =caída de presión en Bar λ = índice de resistencia que depende de la rugosidad del tubo y del caudal circulante R = constante del gas =29,27para el aire V= velocidad del aire en m/seg. D= diámetro interior de la tubería. L= longitud del tramo recto (m) P= presión de trabajo (Bar) 2- Perdidas de carga en accesorios originadas en curvas, T, válvulas, etc, de la tubería. Estas las evaluamos a través del concepto de longitud equivalente: igualamos la perdida en el accesorio con la perdida la carga producida en un tramo recto de la cañería de longitud igual a la longitud equivalente del accesorio. Esta longitud deberá ser sumada a la longitud original (L) del tramo recto.