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LAFLaboratorio de Automatizacin y Fludica

Fluidica Nivel 1

Manual 1

Curso de neumtica 1

Material didctico generado

por el equipo docente del LAF

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LAF________________________________________ ndice

Concepto de automatizacin ............................................................................................................ 5Participacin De La Neumtica ....................................................................................................... 6

La evolucin en la tcnica del aire comprimido .......................................................................... 6

Propiedades del aire comprimido ................................................................................................ 7Rentabilidad de los equipos neumticos ...................................................................................... 9Fundamentos fsicos ...................................................................................................................... 10

Definicin de conceptos ............................................................................................................. 11Unidades SI deducidas y empleadas en la mecnica ..................................................................... 12

Fuerza ......................................................................................................................................... 12Trabajo ....................................................................................................................................... 12Potencia ...................................................................................................................................... 13Presin ....................................................................................................................................... 13Presin relativa .......................................................................................................................... 14Presin absoluta ......................................................................................................................... 14

Temperatura ............................................................................................................................... 14Temperatura absoluta o Kelvin .............................................................................................. 15

Masa ........................................................................................................................................... 15Velocidad ................................................................................................................................... 15Aceleracin ................................................................................................................................ 15Caudal ........................................................................................................................................ 16

Leyes de la neumtica .................................................................................................................... 16El aire es compresible ................................................................................................................ 16Ley de Boyle Mariotte ............................................................................................................ 16Ley de Charles-Gay-Lussac ...................................................................................................... 17

Ejemplo 1: .............................................................................................................................. 18Ejemplo 2: ............................................................................................................................. 19Ejemplo 3: .............................................................................................................................. 19

Ley de los gases ......................................................................................................................... 19Ejemplo 1: .............................................................................................................................. 20Ejemplo 2 ............................................................................................................................... 21

Ecuacin de estado de los gases perfectos ................................................................................. 21Aire Atmosfrico ....................................................................................................................... 22Humedad absoluta ...................................................................................................................... 23Humedad relativa ....................................................................................................................... 23Aire libre .................................................................................................................................... 23Aire comprimido ........................................................................................................................ 24

Generacin y distribucin del aire comprimido ............................................................................ 28Compresores .............................................................................................................................. 28Compresores alternativos ........................................................................................................... 29

Compresores a pistn ............................................................................................................. 29Compresores a membrana ...................................................................................................... 31

Compresores rotativos ............................................................................................................... 31Compresores a paletas ........................................................................................................... 31Compresores a tornillo ........................................................................................................... 33Compresores Roots ................................................................................................................ 34

Turbocompresores ..................................................................................................................... 34

Compresores radiales ............................................................................................................. 34Compresores axiales .............................................................................................................. 35

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________________________________________LAFRegulacin de compresores alternativos .................................................................................... 35

Sistema de marcha y parada ................................................................................................... 36Sistema de marcha en vaco ................................................................................................... 36Rendimiento volumtrico de un compresor ........................................................................... 37Depsito de aire comprimido ................................................................................................. 38

Determinacin de la capacidad de los compresores .............................................................. 42Distribucin del aire comprimido .............................................................................................. 43

Redes de distribucin ............................................................................................................. 43Clculo de las tuberas ........................................................................................................... 46Ejemplos de clculo de caeras ............................................................................................ 48Clculo de una tubera: .......................................................................................................... 50

Tratamiento del aire comprimido .................................................................................................. 55Tratamiento del aire a la salida del compresor .......................................................................... 55

Postenfriadores aire-aire y aire-agua ..................................................................................... 55Tratamiento del aire a la salida del depsito .............................................................................. 56

Secadores frigorficos ............................................................................................................ 56Secadores por adsorcin ........................................................................................................ 57Secadores por absorcin ........................................................................................................ 57Separadores centrfugos ......................................................................................................... 58

Tratamiento del aire en los puntos de utilizacin ...................................................................... 58Filtros ..................................................................................................................................... 58Reguladores de presin .......................................................................................................... 60Lubricadores .......................................................................................................................... 64Conjuntos FRL ....................................................................................................................... 65

Cilindros neumticos ..................................................................................................................... 68Cilindros de simple efecto ......................................................................................................... 68Cilindros de doble efecto ........................................................................................................... 69

Normalizacin ISO ................................................................................................................ 72Cilindros de impacto .............................................................................................................. 74Actuadores rotantes neumticos ............................................................................................ 75Actuadores neumticos a membrana ..................................................................................... 76Amortiguaciones de fin de carrera ......................................................................................... 76Pistn con imn incorporado ................................................................................................. 78

Montajes ..................................................................................................................................... 79Velocidades mxima y mnima de cilindros neumticos ........................................................... 80Seleccin de cilindros neumticos ............................................................................................. 81

a) Aplicaciones estticas ........................................................................................................ 82

b) Aplicaciones dinmicas ..................................................................................................... 84 b.1) Dimetro necesario para la elevacin ............................................................................. 85 b.2) Dimetro necesario para el retorno ................................................................................. 86 b.3) Verificacin de amortiguaciones .................................................................................... 87B.4) Verificacin por pandeo ................................................................................................. 90

Consumo de aire en cilindros neumticos ................................................................................. 92Amortiguadores hidrulicos de choque ..................................................................................... 94Recomendaciones para el montaje de cilindros neumticos ...................................................... 97

Vlvulas direccionales ................................................................................................................... 99Configuracin del smbolo de una vlvula .............................................................................. 100Tipos constructivos de vlvulas Vlvula de asiento esfrico .................................................. 103

Vlvulas de asiento de disco (poppet) ................................................................................. 103Vlvulas de distribuidor axial plano .................................................................................... 104

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LAF________________________________________ Vlvulas de distribuidor rotante ........................................................................................... 104Vlvulas de distribuidor axial o corredera (spool) ............................................................... 105

Principios de funcionamiento de vlvulas ............................................................................... 107Vlvulas 2/2 ......................................................................................................................... 107Vlvulas 3/2 ......................................................................................................................... 108

Vlvulas 4/2 ......................................................................................................................... 109Vlvulas 5/2 ......................................................................................................................... 109Vlvulas de 3 posiciones ...................................................................................................... 112

Caractersticas funcionales de vlvulas ................................................................................... 113Caractersticas de caudal ...................................................................................................... 114Presin de trabajo ................................................................................................................. 116Presin de pilotaje ................................................................................................................ 116Frecuencia de conmutacin ................................................................................................. 116

Dimensionado de vlvulas ....................................................................................................... 117Captores de seal sin contacto ................................................................................................. 120

Captores de paso .................................................................................................................. 120Captores de proximidad - Reflex neumtico ....................................................................... 121

Recomendaciones para el montaje de vlvulas direccionales ................................................. 122Vlvulas auxiliares ....................................................................................................................... 124

Vlvulas reguladoras de caudal ............................................................................................... 124a) Regulador de caudal bidireccional ................................................................................... 124

b) Regulador de caudal unidireccional ................................................................................ 125Vlvula de no retorno o de retencin ....................................................................................... 127Vlvula O o selectora de circuitos ........................................................................................ 128Vlvula de escape rpido ......................................................................................................... 129Vlvula Y o de simultaneidad .............................................................................................. 130Recomendaciones para el montaje de vlvulas auxiliares ....................................................... 132

BIBLIOGRAFIA ......................................................................................................................... 134

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Concepto de automatizacinEl hombre pone la mquina a su servicio con el objeto de lograr que loproducido por sta sea de mejor calidad, elaborando en mayor cantidad ycon menos fatiga fsica de su parte, con menos riesgos de accidentes y porende a un costo reducido.Siempre interviene para dar la orden de puesta en marcha. Segn sea elgrado de su intervencin, se obtiene un mayor o menor nivel deautomatismo.

En primera escala se puede colocar unoperador que acta directamente sobre unpulsador o vlvula que a su vez acta uncilindro neumtico para lograr un desplazamiento con una determinada fuerza. Eneste caso toda la responsabilidad de ladecisin recae sobre el operador.

Ascendiendo en la escala, si se intercala un recurso tecnolgico RT entre eloperador y el elemento receptor de sudecisin, disminuye su responsabilidad yse garantiza su integridad bajodeterminadas condiciones. Ej.: pulsar

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LAF________________________________________ dos botones en forma simultnea, uno con cada mano para ordenar unadeterminada operacin.

Subiendo un escaln ms y agregandoal caso anterior de seguridad un ciertogrado de automatismo se logra que eloperador de solamente una seal dearranque manual sin que seanecesaria su cuota de razonamiento ode reflejos para que el procesocontine slo, hasta cumplir el ciclo prefijado, limitando as an ms suintervencin dndole mayores garantas y fijando una secuencia lgica alproceso.

En el ltimo peldao, con unconjunto de recursos tecnolgicosntegramente automatizado, sepuede anular totalmente laintervencin humana durante laejecucin de un proceso, logrndoseas la automacin total.Resumiendo, desde el punto de vista tcnico podemos definir laautomatizacin como el conjunto de recursos tecnolgicos tendientes alograr que una serie de funciones, operaciones o actos se realicen en unadeterminada secuencia sin la intervencin humana.

Participacin De La NeumticaLa neumtica constituye una herramienta muy importante dentro del controlautomtico en la industria, enumeramos aqu los conceptos ms importantesdestinados a operarios y encargados de mantenimiento.

La evolucin en la tcnica del aire comprimidoEl aire comprimido es una de las formas de energa ms antiguas que co-noce el hombre y aprovecha para reforzar sus recursos fsicos.

El descubrimiento consciente del aire como medio - materia terrestre - seremonta a muchos siglos, lo mismo que un trabajo ms o menos conscientecon dicho medio.

El primero del que sabemos con seguridad es que se ocup de la neumtica,es decir, de la utilizacin del aire comprimido como elemento de trabajo, fue

el griego KTESIBIOS. Hace ms de dos mil aos, construy una catapulta de

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________________________________________LAFaire comprimido. Uno de los primeros libros acerca del empleo del aire com-primido como energa procede del siglo I de nuestra era, y describe meca-nismos accionados por medio de aire caliente.

De los antiguos griegos procede la expresin "Pneuma", que designa la res-piracin, el viento y, en filosofa, tambin el alma.

Como derivacin de la palabra "Pneuma" se obtuvo, entre otras cosas elconcepto Neumtica que trata los movimientos y procesos del aire .

Aunque los rasgos bsicos de la neumtica se cuentan entre los msantiguos conocimientos de la humanidad, no fue sino hasta el siglo pasado

cuando empezaron a investigarse sistemticamente su comportamiento ysus reglas. Slo desde aprox. 1950 podemos hablar de una verdaderaaplicacin industrial de la neumtica en los procesos de fabricacin.

Es cierto que con anterioridad ya existan algunas aplicaciones y ramos deexplotacin como por ejemplo en la minera, en la industria de laconstruccin y en los ferrocarriles (frenos de aire comprimido).

La irrupcin verdadera y generalizada de la neumtica en la industria no seinici, sin embargo, hasta que lleg a hacerse ms acuciante la exigencia deuna automatizacin y racionalizacin en los procesos de trabajo.

A pesar de que esta tcnica fue rechazada en un inicio, debido en la mayorade los casos a falta de conocimiento y de formacin, fueron amplindose losdiversos sectores de aplicacin.

En la actualidad, ya no se concibe una moderna explotacin industrial sin elaire comprimido. Este es el motivo de que en los ramos industriales msvariados se utilicen aparatos neumticos.

Propiedades del aire comprimidoCausar asombro el hecho de que la neumtica se haya podido expandir entan corto tiempo y con tanta rapidez. Esto se debe, entre otras cosas, a queen la solucin de algunos problemas de automatizacin no puede disponerse

de otro medio que sea ms simple y ms econmico.

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LAF________________________________________ Cules son las propiedades del aire comprimido que han contribuido a supopularidad?

Abundante: Est disponible para su compresin prcticamente en todo el

mundo, en cantidades ilimitadas.

Transporte: El aire comprimido puede ser fcilmente transportado portuberas, incluso a grandes distancias. No es necesario disponer tuberas deretorno.

Almacenable: No es preciso que un compresor permanezcacontinuamente en servicio. El aire comprimido puede almacenarse en

depsitos y tomarse de stos. Adems, se puede transportar en recipientes(botellas).

Temperatura: El aire comprimido es insensible a las variaciones detemperatura, garantiza un trabajo seguro incluso a temperaturas extremas.

Antideflagrante: No existe ningn riesgo de explosin ni incendio; porlo tanto, no es necesario disponer instalaciones antideflagrantes, que son

caras. Limpio: El aire comprimido es limpio y, en caso de faltas de estanqueidaden elementos, no produce ningn ensuciamiento Esto es muy importante porejemplo, en las industrias alimenticias, de la madera, textiles y del cuero.

Constitucin de los elementos: La concepcin de los elementos detrabajo es simple si, por tanto, precio econmico.

Velocidad: Es un medio de trabajo muy rpido y, por eso, permiteobtener velocidades de trabajo muy elevadas. (La velocidad de trabajo decilindros neumticos pueden regularse sin escalones.)

A prueba de sobrecargas: Las herramientas y elementos de trabajoneumticos pueden hasta su parada completa sin riesgo alguno desobrecargas.

Para delimitar el campo de utilizacin de la neumtica es preciso conocertambin las propiedades adversas.

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________________________________________LAF Preparacin: El aire comprimido debe ser preparado, antes de suutilizacin. Es preciso eliminar impurezas y humedad (al objeto de evitar undesgaste prematuro de los componentes).

Compresible: Con aire comprimido no es posible obtener para losmbolos velocidades uniformes y constantes.

Fuerza: El aire comprimido es econmico slo hasta cierta fuerza.Condicionado por la presin de servicio normalmente usual de 700 kPa (7bar), el lmite, tambin en funcin de la carrera y la velocidad, es de 20.000a 35.000 N (2000 a 3500 kp).

Escape: El escape de aire produce ruido. No obstante, este problema yase ha resuelto en gran parte, gracias al desarrollo de materialesinsonorizantes.

Costos: El aire comprimido es una fuente de energa relativamente cara;este elevado costo se compensa en su mayor parte por los elementos deprecio econmico y el buen rendimiento (cadencias elevadas).

Rentabilidad de los equipos neumticosComo consecuencia de la automatizacin y racionalizacin, la fuerza detrabajo manual ha sido reemplazada por otras formas de energa; una destas es muchas veces el aire comprimido

Ejemplo: Traslado de paquetes, accionamiento de palancas, transporte depiezas etc.

El aire comprimido es una fuente cara de energa, pero, sin duda, ofreceindudables ventajas. La produccin y acumulacin del aire comprimido, as como su distribucin a las mquinas y dispositivos suponen gastos elevados.Pudiera pensarse que el uso de aparatos neumticos est relacionado concostos especialmente elevados. Esto no es exacto, pues en el clculo de larentabilidad es necesario tener en cuenta, no slo el costo de energa, sinotambin los costos que se producen en total. En un anlisis detallado,

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LAF________________________________________ resulta que el costo energtico es despreciable junto a los salarios, costos deadquisicin y costos de mantenimiento.

Fundamentos fsicosLa superficie del globo terrestre est rodeada de una envoltura area. Estaes una mezcla indispensable para la vida y tiene la siguiente composicin:

Nitrgeno aprox. 78% en volumenOxgeno aprox. 21% en volumen

Adems contiene trazas, de bixido de carbono, argn, hidrgeno, nen,helio, criptn y xenn.

Para una mejor comprensin de las leyes y comportamiento del aire seindican en primer lugar las magnitudes fsicas y su correspondencia dentrodel sistema de medidas. Con el fin de establecer aqu relaciones inequvocasy claramente definidas, los cientficos y tcnicos de la mayora de los pasesestn en vsperas de acordar un sistema de medidas que sea vlido paratodos, denominado "Sistema internacional de medidas", o abreviado "SI".

La exposicin que sigue ha de poner de relieve las relaciones entre el"sistema de unidades SI" y el "sistema tcnico".

Magnitud

Fsica

Unidad SI Sistema

Tcnico

Equivalencia

Fuerza Newton (N)=Kgm/s 2 Kilopond (Kp) 1 Kp = 9,81 N

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

PresinPascal (pa) = N/m 2

Bar

Atmsfera tcnica (at) 1 at = 1,013 bar =101.300 Pa =1,033 Kg/cm 2

PotenciaWatt (W) = J/s

Kilowatt (Kw)

CV = 75 Kpm/s 1Kw = 1000W = 1,35 CV

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

Superficie metro cuadrado (m) metro cuadrado (m) -----------

Caudal Metro cbico/s (m/s) Metro cbico/s (m/s) -----------

Volumen Metro cbico (m) Metro cbico (m) -----------

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

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Definicin de conceptos

Sistema de unidades SI (Sistema Internacional)

El sistema SI es el derivado del sistema Giorgi o MKS y su adopcin legal esuna realidad en distintos pases, tendiendo a una aplicacin universal. Susmagnitudes fundamentales son:

Longitud: metro (m)

Masa: Kilogramo (Kg)

Tiempo: segundo (s)Temperatura: Kelvin (K)

En este sistema se introduce la masa (Kg) como magnitud bsica en lugarde la fuerza (Kp). En el campo de la neumtica es necesario utilizar unidadesde medidas derivadas de las bsicas, tales como:

Fuerza: Newton (N)

Presin: bar (bar)

Potencia: Watt (W)

En el viejo sistema de representacin de las unidades de presin debadeterminarse claramente si se trataba de atmsfera tcnica, atmsferafsica, presin relativa, presin absoluta o depresin. En las nuevas normasSI al utilizar el Pascal y el bar estamos refirindonos a presionesmanomtricas. Por lo tanto, en el nuevo sistema SI , nos queda reflejado elpunto de referencia, puesto que en la tcnica slo se precisa la presindiferencial en relacin con la presin atmosfrica, y este valor se utiliza porejemplo para calcular la fuerza ejercida por un cilindro neumtico. Losmanmetros nos indican la presin diferencial con relacin a la presin

atmosfrica.

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LAF________________________________________ Unidades SI deducidas y empleadas en la mecnicaFuerzaDefiniremos una fuerza F (N) a aquella necesaria para mover un cuerpo demasa M (kg) imprimindole una aceleracin a (m/s) en la direccin delmovimiento.

F (N) = M (Kg) x a (m/s)

Unidad: un Newton es la fuerza queaplicada a un cuerpo de masa igual a 1 Kg leimprime una aceleracin de 1 m/s

1 N = 1 Kg x 1 m/s

Equivalencia: 1 N = 0,102 Kp

1 Kp = 9,81 N

En la prctica puede utilizarse sin mayor error:

1 N = 0,1 Kp1 Kp = 10 N

TrabajoProducimos trabajo cuando un cuerpo es desplazado una cierta distancia porefecto de una fuerza F en la direccin del movimiento. El trabajo efectuadoes el producto de la proyeccin de F en el sentido del movimiento por la

distancia recorrida por el cuerpo.

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________________________________________LAFUnidad: un Joule es el trabajo producido por una fuerza de 1 N cuando supunto de aplicacin se desplaza 1 metro en la direccin del movimiento.

Equivalencia: 1 Joule = 0,102 Kpm

1 Kpm = 9,81 Joule (puede utilizarse 10 en laprctica)

PotenciaEs el trabajo realizado en la unidad de tiempo.

P (w) = trabajo (J) / tiempo (s)

Unidad: un Watt es la potencia de un sistema que realiza un trabajo igual a1 Joule en un tiempo igual a 1 segundo. Como el watt es una unidadpequea, en general se utiliza el Kilowatt (Kw).

1 Kw=1000 w

Equivalencia: 1 Kw = 1,36 CV

1 CV = 0,735 Kw

Presin

Se define como presin a la fuerza actuante sobre la unidad de superficie.

P = fuerza (N) / superficie (m)

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LAF________________________________________

Unidad: Tendremos 1 Pascal (Pa) de presin cuando una fuerza de 1 Nacte sobre una superficie de 1 m

1 Pa = 1 Newton /1 m

Como el Pascal es una unidad pequea se usa comnmente el bar, siendo:

1 bar = 100.000 Pa = 10 Pa

Equivalencia: 1 bar = 0,981 Kp/cm (en la prctica puede utilizarse 1)

Presin relativa

Es la que resulta de tomar como presin de referencia (cero de la escala) ala presin absoluta atmosfrica. Es la presin que indican los manmetroscomunes y la empleada para el clculo de fuerza de los cilindros oactuadores neumticos.

Presin absolutaResulta de tomar como presin de referencia (cero de la escala) al vacoabsoluto.

Es decir que presin relativa o manomtrica ser aquella medida sobre lapresin atmosfrica y presin absoluta aquella medida sobre el cero absoluto(vaco). Las presiones absolutas son poco usuales en la prctica, por lo tantonosotros nos referimos comnmente a presiones manomtricas o relativas.

TemperaturaEs el parmetro que define el nivel trmico.

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________________________________________LAFTemperatura absoluta o KelvinEs aquella que toma corno cero de la escala al cero absoluto detemperatura, correspondiente a - 273,16C.

Indicaremos con T a la temperatura en grados Kelvin o absoluta y con t a latemperatura en grados centgrados o Celsius.

MasaEs la magnitud fsica que define la cantidad de materia que conforma uncuerpo.

Unidad: en el sistema SI la unidad de masa es el Kg.

VelocidadEs el espacio recorrido en la unidad de tiempo.

V = e (m) / t (s)

Unidad: un mvil posee una velocidad V=1 m/s cuando recorre 1 metro enun tiempo de 1 segundo.

Equivalencia: 1 Km/h = 0,28 m/s

1 m/s = 3,6 Km/h

AceleracinEs la variacin (incremento o disminucin) de la velocidad en la unidad detiempo.

A = V

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LAF________________________________________ t

Unidad: tendremos una aceleracin a = 1 m/s cuando la velocidad Vaumente a razn de 1 m por cada segundo transcurrido.

a = 1 m/s = 1 m/s1s

CaudalSe llama caudal o gasto de un fluido al volumen de fluido que pasa por unaseccin en la unidad de tiempo.

Caudal (q) = Vol / tiempo

Unidad: en el sistema SI su unidad es q = m /s

Leyes de la neumticaCon la ayuda de las magnitudes bsicas definidas pueden explicarse lasleyes fsicas fundamentales de la aerodinmica.

El aire es compresibleComo todos los gases, el aire no tiene una forma determinada. Toma la delrecipiente que lo contiene o la de su ambiente. Permite ser comprimido(compresin) y tiene la tendencia a dilatarse (expansin).

La ley que rige estos fenmenos es la de Boyle-Mariotte.

Ley de Boyle Mariotte

Esta ley fsica considera:"A temperatura constante, los volmenes de un gas son inversamenteproporcionales a laspresiones que soportan".El volumen de un gasdepende de la temperaturay la presin a la que se

encuentra, de forma que al

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________________________________________LAFaumentar la temperatura aumentar su volumen (Ley de Charles y Gay-Lussac) y al aumentar la presin el volumen disminuir (Ley de Boyle-Mariotte). Est claro que tambin depender de la cantidad de gas que

tengamos: si aumentamos la cantidad de gas, debe aumentar su volumen.P 1 = V 2 P2 V1P1 x V1 = P2 x V2 = constante

Ejemplo : Si el volumen V1 = 1m que est a la presin atmosfricaP1 = 100 KPa (1 bar) se comprime con la fuerza F 2 hasta alcanzar elvolumen V2 = 0,5 m , permaneciendo la temperatura constante , se

obtiene:P1 x V1 = P2 x V2

P2 = P 1 x V 1 = V2

P2 = 100 KPa x 1m = 200 KPa (2 bar)0,5 m

Ley de Charles-Gay-LussacEsta ley manifiesta lo siguiente: "A presin constante, el volumen de un gasvara en proporcin directa con la temperatura absoluta"Jacques Charles y Joseph-Louis Gay-Lussac, a comienzos de 1800,estudiaron con detalle qu relaciones existan entre la temperatura de losgases y el volumen que ocupaban. La moda de volar en globos aerostticosfue un incentivo importante en sus investigaciones.Si un gas se mantiene a presin constante, su volumen es directamenteproporcional a la temperatura absoluta. Si se calienta a un gas hasta unatemperatura dos veces mayor que la inicial (en Kelvins), el volumen seduplica

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LAF________________________________________

Baja temperatura Alta temperatura

V 1 = T 1

V2 T2V1 x T2 = V2 x T1

La variacin de volumen V es:

V = V2 - V1

A volumen constante la relacion que se mantiene es: 21

2

1

T

T

p

p=

Ejemplo 1:Si el volumen del aire de una habitacin a 10 C es de 90.000 l, cunto

aire escapar de la habitacin si se calienta hasta 30C?

En primer lugar debemos expresar las temperaturas en Kelvin , es decirdebemos sumarle 273 a cada una de ellas. As la temperatura inicial T 1 ser10 + 273 = 283K y la final, T 2, valdr 273 + 30 = 303K. Como el volumen

inicial es de 90.000 litros, aplicando la ley de Charles obtendra:V 1 = T 1 V2 = V 1 x T 2 V2 = 90.000 x 303K = 96360,42 litrosV2 T2 T1 283KCon lo que el volumen final ser de 96360,42 litros.

La cantidad de aire que saldr de la habitacin ser de 96.360,42 - 90.000 =6.360,42 litros.

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________________________________________LAFEjemplo 2:0,8 m de aire a la temperatura T 1 = 273K (20C) se calientan hasta T 2 =344K (71C). Cul ser el volumen final?

V1 x T2 = V2 x T1 V2 = V 1 x T 2 V2 = 0,8 m x 344K = 0,94 mT1 273K

Ejemplo 3:A 20 C, la presin del neumtico de un coche es de 1,8 atm. Tras recorrer50 km la temperatura del neumtico es de 60C, cunto valdr su presin?

Debemos, en primer lugar, expresar las temperaturas en Kelvin , por lo que

aadimos 273 a cada una de ellas, quedando T 1 = 293K y T 2 = 333K.Aplicando ahora la relacin entre presin y temperatura:

P 1 = P 2 Reemplazando: 1,8 atm = _P 2 _ T1 T2 293K 333K

Multiplicando en cruz, para eliminar los denominadores obtendramos:

1,8 atm x 333K = P 2 x 293K P2 = 1,8 atm x 333K = 2,05 atm293K

La presin deseada es de 2,05 atm.

Ley de los gasesGracias a las leyes de Boyle-Mariotte y de Charles y Gay-Lussac ,conocemos las relaciones que hay entre la presin, el volumen y la

temperatura de un gas, pero siempre que una de las tres permanezcaconstante. Intentaremos determinar que ocurre cuando cambiamos las trespropiedades, presin, volumen y temperatura, simultneamente.

Digamos que las condiciones iniciales delgas son P 1, V1 y T1, y las finales P 2, V2 y T2.Podemos suponer que en un principiocambiamos slo el volumen y la presin,dejando constante la temperatura. El gas,

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LAF________________________________________ pasara de las condiciones iniciales P 1, V1 y T1 a las finales P 2, V 2 y T1. Ahoracambiaramos nicamente el volumen y la temperatura, de forma que el gaspasara de estar P 2, V2 y T1 a P2, V2 y T2.

En el primer cambio, como no cambia la temperatura, se cumple la ley deBoyle-Mariotte , es decir, el producto de la presin y el volumen esconstante: P 1 x V1 = P 2 x V 2. En el segundo caso se cumple la ley deCharles y Gay-Lussac , el cociente entre volumen y temperatura esconstante:V2/T1 = V2 /T2. Como en las dos ecuaciones que obtengo aparece el trminoV2 puedo despejarlo en la segunda y sustituirlo en la primera obteniendo laecuacin: P 1 x V1 = P2 x T 1 x V 2

T2Y agrupando segn el subndice quedar: P 1 x V 1 = P 2 xV 2

T1 T2Que es la Ley de los gases : el producto de la presin y el volumen de ungas, dividido por la temperatura a la que se encuentra permanece siempre

constante . Como en la ley de Charles y Gay-Lussac , la temperatura ha de

estar expresada en Kelvin .Ejemplo 1:

Los neumticos de un coche deben estar, a 20C, a una presin de 1,8atm. Con el movimiento, se calientan hasta 50C, pasando su volumen de50 a 50,5 litros. Cul ser la presin del neumtico tras la marcha?

En primer lugar debemos expresar las temperaturas en Kelvin , es decir

debemos sumar 273 a cada una de ellas. As la temperatura inicial T 1 ser20 + 273 = 293 K y la final, T 2 valdr 273 + 50 = 323 K, como el volumeninicial es de V1 = 50 litros y el final de V 2 = 50,5 litros y la presin inicial P 1=1,8 atm, aplicando la ley de los gases obtendremos:

1,8 x 50 = P 2 x 50,5 293 323

realizando las operaciones del primer miembro de la ecuacin quedar:

0,307 = P 1 x 50,5 323

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________________________________________LAFComo 323 est dividiendo, pasar multiplicando y 50,5 que multiplica,pasar dividiendo: 0,307 x 323 = P2

50,5

La presin final P2 = 1,965 atm.

Ejemplo 2Cierto gas ocupa un volumen de 5 litros a 20 C y una presin de760mmHg. Si se comprime hasta 2500 cc a 1,2 atm, cunto valdr sutemperatura?

Debemos, en primer lugar, expresar la temperatura en Kelvin , por lo que

aadimos 273 a 20C quedando 293K. Las presiones deben expresarse enla misma unidad, as que como P 1 = 760 mmHg, expresamos P 2 en mmHg,para lo que multiplicamos por 760 (760 mmHg, es lo mismo que 1 atm.),quedando P 2 = 912 mmHg. Otro tanto ocurre con los volmenes, como V 1 =5 litros, tenemos que poner V 1 en litros tambin. 2500 CC equivalen a 2,5litros.

Aplicando ahora la ecuacin de los gases: 5 x 760 = 912 x 2,5293 T2

Realizando las operaciones quedar. 12,969 = 2280T2

Como T2 est dividiendo, pasar multiplicando al primer miembro de laecuacin 12,969 x T 2 = 2280, y pasando el nmero que multiplica a latemperatura dividiendo nos quedar:

T2 =_ 2280_ 175,80K o -97,20C.12,969

Ecuacin de estado de los gases perfectos

Es una ecuacin que vincula los tres parmetros termodinmicos P, V y T,siendo su expresin:

P x V = G x R x T

P = presin en bar (absoluta)

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LAF________________________________________ V = volumen en m

T = temperatura en K (absoluta)

R = constante del gas (29,27 para el aire)

G = peso del aire en Kp= V . p

p = peso especifico del aire en Kp/m3

Aire Atmosfrico

Es un gas incoloro, inodoro e inspido, mezcla bsicamente de tres gases conel siguiente porcentaje volumtrico:

Nitrgeno = 78%

Oxgeno = 21 %

Hidrgeno =1%

Tambin se encuentran en el aire pequeas cantidades de:

Monxido de Carbono (CO)

xido Nitroso (NO)Metano (CH4)

Argn (Ar)

Helio (He)

Radn (Rn)

Nen (Ne)

lodo (I)

Dixido de Carbono (C02)

Es sabido que el aire atmosfrico contiene adems una cierta cantidad dehumedad en forma de vapor de agua, que depender de las condicionesclimatolgicas. La aptitud del aire atmosfrico para retener vapor de aguaest relacionado con la presin y la temperatura ambiente, en especial conesta ltima, admitiendo ms vapor de agua a medida que aumenta su

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________________________________________LAFtemperatura o se disminuye su presin, e inversamente, podra retenermenor cantidad de agua a medida que desciende su temperatura o aumentasu presin (condensacin).

Humedad absoluta

Se denomina as al peso de agua (en forma de vapor) existente en 1 Kg deaire seco, en cualquier condicin de presin y temperatura.

X = Kg. de vapor de agua / Kg de aire seco

Humedad relativaEs la relacin entre la humedad absoluta existente en el aire y la humedadabsoluta mxima que podra contener si estuviera saturado:

Xr = (X/Xs) x 100

Donde: X = humedad absolutaXs humedad absoluta de saturacin

Una humedad relativa del 100 % Indica que estamos en presencia de unaire saturado, es decir que ya no admite ms humedad (X=Xs).

Aire libre

Las cantidades en Nl/mim que se dan generalmente en los catlogos para elconsumo de aire de las herramientas o equipos neumticos, se refieren aaire libre por minuto (aire atmosfrico a la presin y temperatura normales).Debemos aseguramos que el dato sobre la capacidad del compresor que dael fabricante est tambin referido a aire libre, con el objeto de que existauna correspondencia entre consumo y capacidad. Normalmente, estas dosespecificaciones estn dadas en aire libre, y por lo tanto no hace faltaninguna conversin. Sin embargo, cuando se trata del consumo de aire deotros equipos, es posible que no est dado en aire libre; entonces deberrecurrirse a la frmula para la conversin de litros de aire comprimido a unapresin determinada en litros de aire libre, siendo:

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LAF________________________________________ Q = Q1 x (p+1,013)/1,013

Donde: Q = litros de aire libre por minutoQ1 = litros de aire comprimido por minuto

P = presin del aire comprimido en bar

Aire comprimido

En los sistemas de aire comprimido, el aire aspirado por el compresor entraa la presin y temperatura ambiente con su consiguiente humedad relativa.Entonces se lo comprime a una presin ms elevada lo que produce uncalentamiento del aire al grado que toda su humedad pasar por el

compresor al ser aspirado. Este aire, ahora comprimido, al ir enfrindose enel depsito y tuberas de distribucin hasta igualar la temperatura ambiente,condensar parte de su humedad en forma de gotas de agua.

Para determinar la cantidad de condensado en un sistema neumtico, puedeutilizarse el siguiente grfico, con ayuda de la frmula:

C = 7,2 x 10 - x G x x (Xsi Xsf )

Donde: C = condensados (l/h)G = caudal nominal aspirado por el compresor (Nm = porcentaje de servicio en carga del compresor =

tiempo en carga / tiempo de maniobra en %Xsi = humedad absoluta del aire aspirado (g/Kg aire seco)Xsf = humedad absoluta del aire comprimido (g/Kg aire seco)

Un ejemplo aclarar ms el concepto:Calcular la fraccin de condensados que se producir como resultado de lacompresin de aire atmosfrico a una temperatura ambiente de 20C y unahumedad relativa del 80%, siendo el caudal aspirado por el compre sor G =8 Nm /min. Suponiendo que el compresor funcione con un porcentaje deservicio de carga = 75 %, lo que implica que la relacin:

tiempo en carga / tiempo de maniobra = 0,75 = 75 %

Supondremos que despus de comprimido, el aire en el depsito y tuberas

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________________________________________LAFadquiere nuevamente la temperatura ambiente. La presin de servicio serde 8 bar.

Para presin atmosfrica y 20C se lee Xs = 15 g/Kg . Calculamos el 80 % de

este valor, resultando:Xsi 12 g/Kg de aire seco (punto 1 del diagrama)

Para presin efectiva 8 bar y 20C se lee:

Xsf = 1,5 g/Kg de aire seco (punto 2 del diagrama)

Aplicando la frmula:

C=7,2 x 10 x G x (X si - Xsf )=

C=7,2x 10 4 x 8,75 x (12-1,5)

C= 4,53 l/h

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LAF________________________________________

Parte de este condensado podr ser separado en el depsito o en equiposseparadores, siendo eliminado del sistema y parte arrastrado y transportadoen forma de fase lquida, niebla o microgota hacia los puntos de utilizacin,verificndose:

Condensados = separados + arrastreLa cantidad de separados y arrastres depender de la eficiencia de losequipos de tratamiento de aire incorporados a la lnea. Estas condensaciones

juntamente con condensados de aceites degradados provenientes delcompresor, partculas metlicas producto de su desgaste, as como xidosmetlicos desprendidos de caeras y polvo atmosfrico, sern arrastradaspor el flujo de aire hacia los puntos de utilizacin, constituyndose en lafuente principal de deterioro de los componentes neumticos, tales como:

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________________________________________LAF1) Corrosin en tuberas metlicas.

2) Entorpecimiento de los accionamientos neumticos.

3) Errores de medicin en equipos de control.

4) Obturacin de boquillas de arena.

5) Obturacin de pistolas de pintar.

6) Degradacin del poder lubricante de los aceites.

7) Oxidacin de los rganos internos en equipos receptores.

8) Bajo rendimiento de la instalacin.

9) Atascamiento de vlvulas.

10) Prematuro desgaste de rganos mviles, etc.

De lo visto surge la conclusin de que el aire comprimido tal como sale deldepsito del compresor no es apto para ser utilizado en equipos neumticos,debindoselo tratar previamente.

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Tipos de compresores

Desplazamiento fijo Desplazamiento variable(Turbocompresores)

Alternativos Rotativos

A pistn

A membrana

A paletas

A tornillo

Roots

Radial Axial

LAF________________________________________ Generacin y distribucin del aire comprimido

Para producir aire comprimido se utilizan compresores que elevan la presindel aire al valor de trabajo deseado. Los mecanismos y mandos neumticos

se alimentan desde una estacin central. Entonces no es necesario calcularni proyectar la transformacin de la energa para cada uno de losconsumidores. El aire comprimido viene de la estacin compresora y llega alas instalaciones a travs de tuberas.Los compresores mviles se utilizan en el ramo de la construccin o enmquinas que se desplazan frecuentemente.En el momento de la planificacin es necesario prever un tamao superior dela red, con el fin de poder alimentar aparatos neumticos nuevos que seadquieran en el futuro. Por ello, es necesario sobredimensionar lainstalacin, al objeto de que el compresor no resulte ms tarde insuficiente,puesto que toda ampliacin ulterior en el equipo generador supone gastosmuy considerables.Es muy importante que el aire sea puro. Si es puro el generador de airecomprimido tendr una larga duracin. Tambin debera tenerse en cuentala aplicacin correcta de los diversos tipos de compresores.

CompresoresSon mquinas que aspiran aire ambiente a la presin atmosfrica y locomprimen hasta conferirle una presin superior. Son las mquinasgeneradoras del aire comprimido. Existen varios tipos de compresores,

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________________________________________LAFdependiendo la eleccin de las necesidades y caractersticas de suutilizacin.

Compresores alternativosCompresores a pistnSon los de uso ms difundido, en donde la compresin se efecta por el

movimiento alternativo de un pistnaccionado por un mecanismo biela-manivela.En la carrera descendente se abre la vlvulade admisin automtica y el cilindro se llena

de aire para luego en la carrera ascendentecomprimirlo, saliendo as por la vlvula dedescarga. Una simple etapa de compresincomo la descripta no permitir obtenerpresiones elevadas, con un rendimientoaceptable, ser necesario entonces recurrir ados o ms etapas de compresin, en donde elaire comprimido a baja presin de unaprimera etapa (3-4 bar) llamada de baja, es

vuelto a comprimir enotro cilindro en unasegunda etapa llamadade alta, hasta la

presin final deutilizacin (ver figura

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LAF________________________________________ 2). Puesto que la compresin produce una cierta cantidad de calor, sernecesario refrigerar el aire entre las etapas para obtener una temperaturafinal de compresin ms baja y con rendimiento superior. La refrigeracin de

estos compresores se realiza por aire o por agua, dependiendo del tipo decompresor y su presin de trabajo.El cilindro de alta es de dimetro ms reducido que el de baja, puesto queste toma el aire ya comprimido por la primera y por lo tanto ocuparmenos volumen. Para presiones superiores ser necesario recurrir a variasetapas de compresin. Una buena rentabilidad del equipo compresor seobtendr trabajando en los siguientes rangos de presin de acuerdo al

nmero de etapas, considerando un servicio continuo:Hasta 3-4 bar: 1 etapa

Hasta 8-10 bar: 2 etapas

Ms de 10 bar: 3 etapas o ms

Para presiones superiores a las indicadas, la rentabilidad del equipodisminuye.

Tambin se construye este tipo de compre-sor con cilindros de doble efecto, con lo quese logra duplicar la capacidad del compresorcon una construccin ms compacta. Un ci-lindro de doble efecto se muestra en el es-quema de la figura 3:

Los cilindros pueden adoptardistintas posiciones, como seindica seguidamente:

Donde se requiere aire sinvestigios de aceite puede re-

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________________________________________LAFcurrirse al compresor de pistn seco en donde los aros son de materialantifriccin tipo tefln o de grafito.El campo de utilizacin de estos compresores va desde 50 a 25.000 Nm3 /h

de capacidad y presiones desde 2 a 1.000 2.000 bar.Compresores a membranaSon de construcci6n sencilla y consisten en una membrana accionada poruna biela montada sobre un eje motor excntrico; de este modo se obtendrun movimiento de vaivn de la membrana con la consiguiente variacin delvolumen de la cmara de compresin en donde se encuentran alojadas Lasvlvulas de admisin y descarga, accionadas automticamente por la accin

del aire. Permiten la produccin deaire comprimido absolutamenteexento de aceite, puesto que elmismo no entra en contado con elmecanismo de accionamiento, y enconsecuencia el aire presenta gran

pureza.Utilizados en medicina y en ciertosprocesos qumicos donde se requiera

aire sin vestigios de aceite y de gran pureza. No utilizados en general parauso industrial.

Compresores rotativos

Compresores a paletasTambin llamados multialetas ode mbolos rotativos. Constande una carcasa cilndrica encuyo interior va un rotor mon-tado excntricamente de modo

de rozar casi por un lado lapared de la carcasa formando

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LAF________________________________________ as del lado opuesto de trabajo una cmara en forma de media luna. Estacmara queda dividida en secciones por un conjunto de paletas deslizantesalojadas en ranuras radiales del rotor.

Diagrama de funcionamiento de un com- presor rotativo a paletas con refrigeracin

por inyeccin de aceite

A: aspiracin de aire -1: Filtro de succin -

2/3: vlvula de retencin y rgano de cierre -

4: compresor con corredera cilndrica rotativa -

8: inyeccin de aceite refrigerante C: salida

de la mezcla de aire comprimido y aceite - 5:

caera depresin 6: recipiente combinado

de aire y aceite - 7: separador fino especial -

8: vlvula de presin mnima - 9: filtro de

aceite - 10: refrigerador de aceite.

Al girar este ltimo, el volumen de las secciones vara desde un mximo aun mnimo, producindose la aspiracin, compresin y expulsin del aire sinnecesidad de vlvula alguna. Este tipo de compresor es muy adecuado paralos casos en que no es problema la presencia de aceite en el aire compri-

mido, fabricndose unidades de hasta 6.000 Nm3 /h de capacidad y hastauna presin de 8 bar en una sola etapa y 30 bar en dos etapas con refrige-racin intermedia.En los ltimos aos se ha empezado a sustituir la refrigeracin medianteinyeccin de aceite que acta durante todo el proceso de compresin. Dichoaceite absorbe una parte considerable de calor de compresin, de maneratal que an para presiones de salida de 8 bar no se alcanzan temperaturas

superiores a los 90C en la mezcla aire-aceite. Este ltimo es extradohaciendo pasar la mezcla por separadores especiales y luego de refrigeradoes inyectado nuevamente.De requerirse aire exento de aceite, las paletas deben ser hechas demateriales autolubricantes, tipo tefln o de grafito. Alcanzan una vida til de35.000 a 40.000 horas de funcionamiento dado el escaso desgaste de losrganos mviles (paletas) por la abundante presencia de aceite. Este tipo decompresores suministran un flujo casi sin pulsaciones y en forma continua

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________________________________________LAFutilizando un depsito de dimensiones reducidas que acta de separador deaceite.

Compresores a tornilloTambin llamados compresores helicoidales. La compresin en estas mqui-nas es efectuada por dos rotores helicoidales, uno macho y el otro hembra

que son prcticamente dos tor-nillos engranados entre s ycontenidos en una carcasadentro de la cual giran. El ma-cho es un tornillo de 4 entradasy la hembra de 6. El machocumple prcticamente la mismafuncin que el pistn en el com-presor alternativo y la hembrala del cilindro. En su rotacin loslbulos del macho se introducen

en los huecos de la hembra desplazando el aire axialmente, disminuyendosu volumen y por consiguiente aumentando su presin. Los lbulos se lle-nan de aire por un lado y descargan por el otro ensentido axial.Los dos rotores no estn en contacto entre si, de modotal que tanto el desgaste como la lubricacin resultanmnimas. Esto se Logra a travs de un juego de ruedas

dentadas que mantiene el sincronismo de giro de losrotores y evita que stos presionen unos contra otros,asegurndose la estanqueidad necesaria por la estrechatolerancia de los juegos que existen entre ellos y la destos con la carcasa.La refrigeracin y lubricacin (no necesaria en et rotor)y una mejor hermeticidad se logran por inyeccin de

aceite en la compresin que luego ser separado del aire comprimido en se-

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LAF________________________________________ paradores, al igual que en los compresores de paletas. Se construyen de 1,2 o ms escalones de compresin y entregan un flujo casi continuo por loque las dimensiones del depsito son reducidas, cumpliendo ms bien fun-

ciones de colector y separador de aceite que de acumulador.El campo de aplicacin de stos va desde 600 a 40.000 m 3 /h y se logranpresiones de hasta 25 bar.

Compresores Roots

Slo transportan el volumen de aireaspirado del lado de aspiracin al de

compresin, sin comprimirlo en esterecorrido. No hay reduccin de volu-men y por lo tanto tampoco aumentode presin. El volumen que llega a laboca de descarga, todava con la pre-sin de aspiracin, se mezcla con elaire ya comprimido de la tubera de descarga y se introduce en la cmara

llegando sta a la presin mxima siendo luego expulsado. Un juego de en-granajes accionan los rotores en forma sincrnica y evita que se rocen entresi. Resultan apropiados cuando se requiera aire comprimido a bajaspresiones completamente libre de rastros de lubricante. Slo se alcanzanpresiones no muy superiores a los 1,5 bar y por tal razn su uso esrestringido en aplicaciones neumticas.

TurbocompresoresFuncionan bajo el principio de la dinmica de los fluidos, en donde elaumento de presin no se obtiene a travs del desplazamiento y reduccinde volumen sino por efectos dinmicos del aire.

Compresores radiales

Se basan en el principio de la compresin del aire por fuerza centrfuga y

constan de un rotor centrfugo que gira dentro de una cmara espiral,

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________________________________________LAFtomando el aire en sentido axial y arrojndolo a gran velocidad en sentidoradial. La fuerza centrfuga que acta sobre el aire lo comprime contra la

cmara de compresin. Pueden ser de

una o varias etapas de compresinconsecutivas, alcanzndose presiones de8 bar y caudales entre 10.000 y 200.000Nl/h. Son mquinas de alta velocidad,siendo sta un factor fundamental en elfuncionamiento ya que est basado enprincipios dinmicos, siendo la velocidad

de rotacin del orden de las 15.000 a 20.000 r.p.m., y an ms.

Compresores axiales

Se basan en el principio de la compresin axial y consisten en una serie derodetes consecutivos con alabes que comprimen el aire. Se construyen hastade 20 etapas de compresin (20 rodetes). El campo de aplicacin de estetipo de compresor alcanza caudales desde los 200.000 a 500.000 Nm 3 /h y

presiones de 5 bar, raramente utilizados en neumtica industrial.

Regulacin de compresores alternativosEn la prctica el consumo de aire comprimido resulta muy variable a causade la multiplicidad e intermitencia del uso que se hace del mismo. Ahorabien, en los compresores de desplazamiento fijo el caudal depende casiexclusivamente de la velocidad do rotacin. Siendo sta en al prctica

constante (motor elctrico de una sola velocidad), tambin lo ser el caudaly por lo tanto tendremos en determinado momento un exceso de gene-racin. Deberamos por lo tanto tener la posibilidad de almacenar este aireproducido en exceso. Esto se realiza mediante un depsito de acumulacinpero slo puede hacerse en un periodo limitado, hasta alcanzar la presinmxima admisible por el compresor o el acumulador. Ser entoncesnecesario recurrir a mtodos de regulacin que interrumpan la generacin

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LAF________________________________________ una vez alcanzado dicho nivel mximo o la presin establecida para elsistema.

Sistema de marcha y parada

El compresor funciona a intervalos intermitentes y se detiene cuando en eldepsito se alcanza la presin mxima o presin de corte. A partir de eseinstante el consumo es satisfecho por el aire acumulado en el depsito hastaque en el mismo la presin llegue a un valor mnimo admisible de regulacin(presin de arranque), momento en que vuelve a arrancar para cubrir lademanda. Es el sistema de regulacin ms econmico y el ms difundido

para pequeas mquinas. No puede utilizarse cuando el consumo sea tal queel compresor deba arrancar y parar continuamente, pues tanto el motorcomo su contactor admiten un nmero limitado de maniobras horarias (10 a15 como mximo) determinadas por el calentamiento o desgaste de losmismos. La seal de arranque y parada se obtiene a travs de un presstatoregulado entre las presiones mxima y mnima, enviando una seal elctricaal contactor del motor, el que ordena su marcha o parada.

Sistema de marcha en vaco

El compresor con este sistema est continuamente en marcha, pero alternaperodos en que comprime con perodos en que el aire es aspirado yexpulsado por la misma vlvula de aspiracin. Esto se consigue abriendo la olas vlvulas de admisin. El aire aspirado en la carrera descendente delpistn es nuevamente descargado en la atmsfera en la carrera ascendente.

La apertura de la vlvula de admisin se obtiene a travs de un mecanismoabre vlvulas accionado por un pequeo pistn o una membrana ubicadosen la cabeza de los cilindros. Este sistema es gobernado por una sealneumtica proveniente de una electrovlvula actuada por un presstato enfuncin de la presin del depsito. La frecuencia del ciclo carga-vaco puedeser elevada sin causar daos al compresor y al motor elctrico. El compresordurante su marcha en vaco consume entre 10 y 15 % del consumo a plenacarga.

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________________________________________LAFOtro sistema de marcha en vaci menos utilizado, consiste en cerrar elconducto de aspiracin del compresor, lo que conduce a un recalentamientodel mismo, slo aplicable a mquinas de pequea potencia.

Rendimiento volumtrico de un compresor

Es el cociente entre el volumen de aire realmente aspirado por el compresor(reducido a la presin y temperatura externa) y el volumen de cilindrada(generado por la carrera del pistn). A primera vista este rendimientodebera ser 100 %, pero veremos que esto no ocurre debido a:a) El aire que entra en el cilindro se calienta y aumenta su volumen.

b) la presin de aspiracin debe ser necesariamente inferior a la atmosfricapara permitir al aire entrar al cilindro.c) El cierre de las vlvulas no es instantneo, permitiendo fugas de aire.

d) Pueden verificarse fugas a travs de los aros del pistn y vlvulas ancerradas.e) Presencia de un espacio nocivo al final de la carrera de compresin.

El aire comprimido en este espacio nocivo se expande dentro del cilindro enla carrera de aspiracin, disminuyendo el volumen de aire realmenteaspirado. Considerando slo el ltimo punto y para una compresinisotrmica, se llega a:

v = 1 m x (P 2 /P1 1)

donde: v = rendimiento volumtrico terico

m = coeficiente de espacio nocivo = volumen espacio nocivo /Volumen cilindrada

P2 = presin absoluta de compresin

P1 = presin absoluta de aspiracin

Ejemplo: m = 0,05 (5 %) P2=9 bar P1=1 bar

v = 1- 0,05 (9-1)

v = 0,6 = 60 %

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LAF________________________________________ Este rendimiento se anulara para presiones efectivas, tal que (P2/P1 -1) =1/m, sin embargo en la prctica ello no ocurre pues la compresin no esisotrmica anulndose para valores ms elevados de la presin. La

disminucin del v con el aumento de presin explica la razn por la cual nodeben obtenerse presiones elevadas en una sola etapa de compresin enforma rentable. El valor de v disminuye an ms en mquinas usadas, puespueden verificarse fugas a travs de los aros del pistn y vlvulas ancerradas. Al adquirir un compresor ser necesario comprobar que lacapacidad indicada en la chapa sea la real y no la terica.

C Real = v x C Terica

Depsito de aire comprimidoLas funciones principales del depsito o acumulador son:

1) Obtener una considerable acumulacin de energa para afrontar picos de consumo que superen la capacidad del compresor.

2) Contribuir al enfriamiento del aire comprimido y la disminucin de suvelocidad, actuando as como separador de condensado y aceite provenientedel compresor.

3) Amortiguar las pulsaciones originadas en los compresores, sobre todo enlos alternativos.

4) Permitirla regulacin del compresor compensando las diferencias entre elcaudal generado y el consumido, los cuales normalmente trabajan conregmenes diferentes.

Su capacidad depender de:

1) Las caractersticas de la demanda de aire en la red. Esta puede ser:

Constante

Intermitente

Instantnea

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________________________________________LAF2) Del sistema de regulacin que tenga el compresor Esto determina elnmero mximo de maniobras horarias: normalmente 10 cuando es pormarcha y parada, 60 o ms cuando es por carga y vaco.

3) De la amplitud del rango de presiones dentro del cual regula el compresor(P de regulacin): normalmente 0,8 - 1 bar con regulacin por marcha yparada y 0,3 - 0,5 bar con regulacin por carga y vaco. El baco de lapgina siguiente permite calcular el volumen del depsito en funcin de lasvariables mencionadas para una demanda del tipo constante.

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LAF________________________________________ Su construccin podr ser horizontal o vertical, prefirindose estos ltimos

por el menorespacio ocu-

pado. El de-psitodeberubicarse enun lugarfresco, loms cerca

posible delcompresor,

preferentemente fuera del edificio, donde pueda disipar parte del calorproducido en la compresin.El depsito debe ser firmemente anclado al piso para evitar vibraciones de-

bidas a las pulsaciones del aire.

Los accesorios mnimos que debern incluirson:

- vlvula de seguridad

- manmetro

- grifo de purga

- boca de inspeccin

La vlvula de seguridad debe ser regulada a noms de 10 % por encima de la presin detrabajo y deber poder descargar el total del

caudal generado por el compresor. Deber contar adems con un dispositivode accionamiento manual para probar peridicamente su funcionamiento.

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________________________________________LAFCuando el tanque se instalaen el exterior y existe peligrode temperatura por debajo

de 0C, el manmetro y lavlvula de seguridad, debenconectarse con tuberas paraubicarlos en el interior. Estastuberas deben tenerpendiente hacia el depsitopara que sean

autodrenantes. Nunca instalevlvulas de bloqueo entre eldepsito y la vlvula deseguridad pues lo prohbenlos reglamentos.En los tamaos pequeos lainspeccin se realizar por

medio de una simple bocabridada de 100 a 150 mm dedimetro; en los tamaosmayores estas bocas serndel tipo entrada de hombre

(460 a 508 mm). Las caeras para el control (regulacin) deben ser co-nectadas al depsito en un punto donde el aire sea lo ms seco posible. Esimportante que sta est provista de un filtro con vlvula de purga parapermitir drenar el agua y aceite acumulado y asegurar un perfecto funcio-namiento del sistema de regulacin.Instale un regulador de presin que permita independizar la presin de tra-bajo del compresor de aquella con que operan los sistemas de regulacin(normalmente 4 - 6 bar).

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LAF________________________________________ La figura de la derecha muestra unesquema de la instalacin del depsitoy las lneas de control.

En algunas instalaciones el presstatode regulacin y la electrovlvula quecomanda el dispositivo de regulacin(abre vlvulas), se ubican cerca del de-psito; en otros casos, estos elementosforman parte de un tablero de controlgeneral.

Cuando se coloque una vlvula de cierre en alguna de estas caeras, debertenerse especial cuidado de que el compresor est desconectado mientras lavlvula est cerrada.Debe tenerse presente que el depsito constituye un elemento sometido apresin y por lo tanto existen regulaciones oficiales respecto a sus caracte-rsticas constructivas. Existen adems normas y cdigos que regulan su cl-culo, diseo, fabricacin y ensayos.

Determinacin de la capacidad de los compresores

La capacidad de los mismos puede determinarse aplicando el siguiente pro-cedimiento:

1) Determinar consumo especfico de todas las herramientas o equipos dela planta que consuman aire comprimido en Nm/mm.2) Multiplicar dichos consumos por el coeficiente de utilizacin individual,que es el tiempo del equipo funcionando en relacin al tiempo total de un ci-clo completo de trabajo o el porcentaje del tiempo de utilizacin sobre unahora de trabajo.3) Sumar dichos resultados.4) Agregar entre un 5 a 10 % del valor computado en 3), para totalizarlas prdidas por fugas en el sistema.

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________________________________________LAF5) Adicionar un cierto porcentaje para contemplar posibilidad de futurasampliaciones, muy importante ya que de otro modo las disponibilidades delsistema sern rpidamente superadas.

El resultado as obtenido (Qn) deber ser cubierto por la capacidad del o delos compresores (Qc) que si bien podran llegar a funcionar con un coefi-ciente de demanda del 100 %, esto implicara la marcha continua del com-presor. Por lo tanto elegiremos el mismo para un coeficiente de demanda del80% obteniendo a capacidad del compresor dividiendo el valor de Qn anteshallado por el valor 0.8 (80 %) antes mencionado. resultando:

Qc = Qn /0.8 = 1,25 x Qn

Si se desea una eleccin ms conservadora, puede realizarse el clculo conun coeficiente de demanda del 70%, resultando:

Qc = Qn / 0,7= 1,43 x Qn

Distribucin del aire comprimido

Redes de distribucin

El trazado de sta se realizar considerando:1) Ubicacin de los puntos de consumo2) Ubicacin de las mquinas3) Configuracin del edificio4) Actividades dentro de la planta industrial

Y teniendo en cuenta los siguientes principios:

a) Trazado de la tubera de modo de elegir los recorridos ms cortos y tra-tando que en general sea lo ms recta posible, evitando los cambios bruscosde direccin, las reducciones de seccin, las curvas, piezas en T, etc., con elobjeto de producir una menor prdida de carga.

b) En lo posible tratar que el montaje de la misma sea areo, esto facilita lainspeccin y el mantenimiento. Evitar las tuberas subterrneas, pues no sonprcticas en ningn sentido.

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LAF________________________________________ c) En el montaje contemplar que puedan desarrollarse variaciones de lon-gitud producidas por dilatacin trmica, sin deformaciones ni tensiones.d) Evitar que la tubera se entremezcle con conducciones elctricas, de va-

por, gas u otras.e) Dimensionar generosamente las mismas para atender una futura de-manda sin excesiva prdida de carga.f) Inclinar las tuberas ligeramente (3%) en el sentido del flujo de aire ycolocar en los extremos bajos, ramales de bajada con purga manual o auto-mtica. Esto evita la acumulacin de condensado en las lneas.g) Colocar vlvulas de paso en los ramales principales y secundarios. Esto

facilita la reparacin y mantenimiento sin poner fuera de servicio toda lainstalacin.h) Las tomas de aire de servicio o bajantes nunca deben hacerse desde laparle inferior de la tubera sino por la parte superior a fin de evitar que loscondensados puedan ser recogidos por stas y llevados a los equipos neu-mticos conectados a la misma.

i) Las tomas y conexiones en las bajantes se realizarn lateralmente colo-cando en su parte inferior un grifo de purga o un drenaje automtico.

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________________________________________LAF j) Atender a las necesidades de tratamiento del aire, viendo si es necesarioun secado total o slo parcial del aire.

k) Prever la utilizacin de filtros, reguladores y lubricadores (FRL) en las

tomas de servicio.Considerando los puntos antes mencionados, el tendido de la red podrhacerse segn dos disposiciones diferentes:a) En circuito cerrado o abierto cuando se le haga tratamiento de secado alaire a la salida del compresor.b) En circuito abierto cuando no se haga tal tratamiento.Es de mencionar que cuando el circuito es cerrado la pendiente en los con-ductos es nula puesto que es incierto el sentido de circulacin, ya que stedepender de los consumos y por lo tanto la pendiente carece de sentido.Por tal razn slo se utiliza el circuito cerrado cuando se trata el aire a la sa-lida del compresor con equipos secadores, segn veremos ms adelante.

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LAF________________________________________

Clculo de las tuberas

1) Tubera principal: es aquella que sale del depsito y conduce la totalidaddel caudal de aire comprimido. Velocidad mxima recomendada = 8 m/seg.2) Tubera secundaria: son aquellas que se derivan de la principal, se distri-

buyen por las reas de trabajo y de la cual se desprenden las tuberas deservicio. Velocidad mxima recomendada 10 a 15 m/seg.3) Tuberas de servicio: Se desprenden de las secundarias y son las quealimentan a los equipos neumticos. Velocidad mxima recomendada 15 a20 m/seg.

Para su clculo ser necesario tener en cuenta:a) La presin de serviciob) El caudal en Nm 3 /minc) Las prdidas de carga: sta es una prdida de energa que se va origi-nando en el aire comprimido ante los diferentes obstculos que se presentanen su recorrido hacia los puntos de utilizacin. La prdida de carga admisibleen Las bocas de utilizacin no debe ser mayor que el 3 % de la presinmxima del depsito.

La prdida de presin o prdida de carga se origina de dos maneras:

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________________________________________LAF1) Prdida de carga en tramos rectos producida por el rozamiento del airecomprimido contra las paredes del tubo.2) Prdida de carga en accesorios originada en curvas, T, vlvulas, etc., de

la tubera.Las primeras pueden ser calculadas con la siguiente frmula:

P = (/R x T) x (V/D ) x L x p

donde: P = calda de presin (bar)

p = presin de trabajo (bar)

R = constante del gas = 29,27 para el aire

T = temperatura absoluta (t + 273)

D = dimetro interior de la tubera (mm)

L = longitud del tramo recto (m)

V = velocidad del aire (m/seg.)

= ndice de resistencia que depende de la rugosidad del

tubo y del caudal circulanteDicha frmula seencuentra resueltaen el siguientegrfico:Las segundas lasevaluamos a

travs delconcepto delongitudequivalente. Esdecir igualamos laprdida en elaccesorio con laprdida de carga

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LAF________________________________________ producida en un tramo recto de caera de longitud igual a la longitudequivalente del accesorio. Esta longitud deber ser sumada a la longitudoriginal (L) del tramo recto. La tabla siguiente muestra la longitud

equivalente de diversos accesorios de caeras en funcin del dimetro.

Elemento intercalado en tuberas 1/4 3/8 1/2 3/4 1 1/4 1 2

Vlvula esclusa (tot abierta) 0,09 0,09 0,1 0,13 0,17 0,22 0,26 0,33 T (paso recto) 0,15 0.15 0,21 0,33 0,45 0,84 0,67 0,91 T (paso a derivacin) 0,78 0,76 1 1,28 1,61 2,13 2,46 3,16Curva a90 0 0,42 0,42 0,52 0,64 0,79 1,06 1,24 1,58Curva a 45 0,15 0,15 0,23 0,29 0,37 0,48 0,57 0,73Vlvula globo (tot. Abierta) 4,28 4,26 5,66 7,04 8,96 11,76 13,77 17,67

Vlvula angular (tot. abierta) 2,43 2,43 2,83 3,50 4,48 5,88 6,88 8,83

Ejemplos de clculo de caeras

Calcular el dimetro de un tramo recto de caera de 100 m de longitud porel que circulan 3 Nm 3 /min. a 7 bar, siendo la prdida de carga admisible P= 3 % de P1.

P = 3 % x 7 bar = 0,21 barLa prdida de carga por unidad de longitud ser:

0,21 bar / 100m = 0.0021 bar/m

Entrando al grfico por su parte superior con P1=7 bar, trazamos una verti-cal hasta interceptarlo con una horizontal proveniente de la escala de cau-dales de la derecha con Q = 3 Nm3 /min (punto A en el diagrama). Por di-

cho punto trazamos una paralela a las lneas oblicuas hasta interceptada conla vertical levantada desde el valor de la prdida de carga por unidad de lon-gitud P=0,0021 bar/m (punto E del diagrama). Proyectando dicho puntohacia la escala de la Izquierda obtenemos en ella el dimetro de la caera =1 1/4.

Supongamos que la misma caera no fuera recta y tuviera ahora montadosaccesorios como ser 1 vlvula exclusa abierta, 7 curvas a 90 0 y una T en de-rivacin.

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________________________________________LAFCon el valor del dimetro deja tubera calculamos las longitudes equivalentesde los accesorios.

1 vlvula exclusa: 0,22 m

7 curvas a 90 0: 7 m1 Ten derivacin: 2,13 m------------------------------------------Long. equivalente total: 9,35 m

Longitud total a considerar:

Caera recta: 100 m

Long. equivalente: 9,35 m--------------------------------------------Longitud total: 109,35 m

Con lo que la prdida total de carga resultar:

0,0021 bar/m x 109,35 m = 0,23 bar

Como vemos el incremento de prdida de carga producida en accesorios espequea cuando se trata de caeras de gran longitud y el nmero de los ac-cesorios no es muy grande.Consideremos ahora el mismo caudal circulante y la misma presin peropara una caera de 10 m con a misma prdida de carga total, P=0,21 bar

La prdida por unidad de longitud ser:

P = 0,21 /10 = 0,021 bar/mYendo al grfico vemos que corresponde a una caera de = 3/4

Considerando ahora los mismos accesorios:

1 vlvula exclusa: 0,13 m7 curvas a 900: 4,48 m1 T en derivacin: 1,28 m-----------------------------------------Long. equivalente total: 5,89 m

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LAF________________________________________ Longitud total a considerar ahora:

Longitud recta: 10 m

Long. equivalente: 5,89 m-------------------------------------------------Longitud total 15,89m

Con lo que la prdida de carga total resultar:

0,021 bar/m x 15,89 m = 0,33 bar

Tenemos un aumento de prdida de carga del 60 % aproximadamente, conlo que verificamos que la influencia sobre las prdidas de carga en acceso-rios es realmente notable en caeras cortas an no siendo el nmero destos excesivamente grande.

Clculo de una tubera:El consumo de aire en una industria es de 4 m/min (240 m /h). En 3 aosaumentar un 300 %, lo que representa 12 m /min (720 m3/h).El consumo global asciende a 16 m /min (960 m /h) La red tiene unalongitud de 280 m; comprende 6 piezas en T, 5 codos normales, 1 vlvulade cierre. La prdida admisible de presin es de A p = 10 kPa (0,1 bar). Lapresin de servicio es de 800 kPa (8 bar).

Se busca: El dimetro de la tubera

El nomograma, con los datos dados, permite determinar el dimetroprovisional de las tuberas.

Solucin:

En el nomograma, unir la lnea A (longitud M tubo) con la B (cantidad de aireaspirado) y prolongar el trazo hasta C (eje l). Unir la lnea E, (presin). En lalnea F (eje 2) se obtiene una interseccin. Unir los puntos de interseccinde los ejes 1 y 2. Esta lnea corta la D (dimetro nominal de la tubera) enun punto que proporciona el dimetro deseado.

En este caso, se obtiene para el dimetro un valor de 90 mm.

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________________________________________LAF

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LAF________________________________________

Las resistencias de los elementos estranguladores (vlvula de cierre, vlvulaesquinera, pieza en T, compuerta, codo normal) se indican en longitudessupletorias. Se entiende por longitud supletoria la longitud de una tuberarecta que ofrece la misma resistencia al flujo que el elemento estranguladoro el punto de estrangulacin. La seccin de paso de la "tubera de longitudsupletoria" es la misma que la tubera.

Un segundo nomograma permite averiguar rpidamente las longitudessupletorias.

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Con esta longitud total de tubera de 380 m, el consumo de aire, la prdida

de presin y la presin de servicio se puede determinar, como en el

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LAF________________________________________ problema anterior, con ayuda del nomograma (figura 25) el dimetrodefinitivo de las tuberas.

En este caso, el dimetro es de 95 mm.

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________________________________________LAFTratamiento del aire comprimido

Vimos ya anteriormente la necesidad de tratar al aire comprimido para suutilizacin debido a la presencia de elementos indeseables que se constituanen una fuente de posteriores desperfectos y deterioros de los componentesneumticos. Si bien el depsito constituye un atenuante para dicho fin,podremos distinguir tres formas adicionales de realizar dicho tratamiento:

1) A la salida del compresor mediante:

Aire - agua

- Postenfriadores

Aire - aire

2) A la salida del depsito por medio de:

Frigorficos- Secadores Por adsorcin

Por absorcin

- Separadores centrfugos

3) En los puntos de utilizacin mediante:

- Filtros

- Reguladores de presin

- Lubricadores

Tratamiento del aire a la salida del compresor

Postenfriadores aire-aire y aire-agua

Son los ms usuales para el tratamiento del aire comprimido. Se instalaninmediatamente a la salida del compresor, y reducen la temperatura del airecomprimido hasta Unos 25C con lo cual se consigue eliminar un gran

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LAF________________________________________ porcentaje de agua y aceites contenidos en el aire (70 a 80%). Constan, engeneral, de un serpentn o un haz tubular por donde circula el airecomprimido, circulando el fluido refrigerante (aire o agua) en contracorriente

por el exterior de los mismos. A la salida del refrigerador se encuentra unseparador-colector en el que se acumulan el agua y aceite condensadosdurante la refrigeracin. Son generalmente suficientes en la mayora de lasaplicaciones del aire comprimido (talleres metalrgicos e industrias engeneral), siempre que la instalacin est provista de purgadoras y equiposde tratamiento de aire en los puntos de utilizacin que permitan recoger lascondensaciones producidas en las redes.

Tratamiento del aire a la salida del depsito

Secadores frigorficosEl principio del mtodo de secado por refrigeracin es en si extremadamentesimple. Se trata de enfriar el aire hasta una determinada temperatura yextraer el condensado que se forma. El aire a secar pasa a travs de unintercambiador donde se enfra por la accin del fluido refrigerante de unciclo frigorfico. A la salida del intercambiador se coloca un separador-colector de condensados para su posterior eliminacin. Con este tipo desecado se obtienen temperaturas del aire muy bajas, del orden de 2C,obtenindose aire prcticamente seco.

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________________________________________LAF

Secadores por adsorcin

Responden a esta denominacinaquellos secadores queefectan el secado mediante unadsorbente slido de elevada

porosidad tal como: silicagel,almina, o carbn activado, etc.Estas sustancias se saturan ydeben ser regeneradas peridi-camente a travs de un ade-cuado proceso de reactivacin.

Para ampliar su funcin estos secadores estn constituidos por dos torres

de secado gemelas con la respectiva carga de adsorbente, funcionando ccli-camente una, mientras la otra est siendo regenerada. Con este tipo de se-cadores se obtiene aire extremadamente seco, equivalente a un punto deroco a presin atmosfrica de -20 a -40C.

Secadores por absorcin

Normalmente este tipo de secador utiliza pastillas desecantes de composi-

cin qumica y granulado slido altamente absorbente, que se funden y li-

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LAF________________________________________ cuan al ir reteniendo el vapor de agua contenidoen el flujo a secar. Son de costo inferior a lossecadores frigorficos y de adsorcin, pero la

calidad del aire obtenido es inferior a aquellos.Debe reponerse peridicamente la carga delproducto qumico empleado. Normalmentereducen la humedad al 60-80% respecto al flujosaturado 100% proveniente de un postenfriadoraire-aire o aire-agua. Tienen el inconveniente dela contaminacin con aceite de las sustancias

absorbentes o adsorbentes (caso anterior) disminuyendo su capacidad desecado. Tal inconveniente no existe en el secado por refrigeracin o fri-gorfico.

Separadores centrfugos

Se emplean cuando se persigue una separacin de condensados a bajo co-sto. Funcionan haciendo pasar el aire comprimido a tra-

vs de un deflector direccional centrfugo, que estableceen el aire un sentido de rotacin dentro del equipo, demodo de crear una fuerza centrfuga que obliga a laspartculas lquidas e impurezas a adherirse a la pareddel separador, decantando en la parte inferior delmismo. Estas impurezas son luego eliminadas pormedio de una purga. Tienen el inconveniente que a

bajos consumos la velocidad dentro del separador esmuy baja, siendo tambin baja la fuerza centrfugasobre las partculas, lo que disminuye su eficiencia a caudales reducidos.

Tratamiento del aire en los puntos de utilizacin

FiltrosLa utilizacin de filtros en las bocas de utilizacin se hace indispensable, de-

biendo estar presentes en toda instalacin correctamente concebida, an

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________________________________________LAFcuando se haya hecho tratamiento del aire a la salida del compresor o deldepsito. stos no impedirn la llevada a los puntos de consumo de partcu-las de xido ni de pequeas cantidades de condensado provenientes de las

redes de distribucin. stos, de no ser retenidos tendran acceso a loscomponentes neumticos con su consiguiente deterioro, aumento de los

costos de mantenimientoy en general bajo rendi-miento del equipo. Un fil-tro de este tipo es mos-trado en la figura de la

derecha.En realidad ms que unsimple elemento filtrante,es la combinacin de stecon un separador centr-fugo.Consta esencialmente de

un deflector centrfugo en su parte superior cuyo objeto es crear dentro delvaso un movimiento ciclnico del aire de modo de crear una fuerzacentrfuga que actuando sobre las pequeas gotas de condensado ypartculas obliguen a stas a adherirse a las paredes del vaso, paradepositarse luego en su parte inferior en una zona de calma. sta es creadapor una pantalla que impide la turbulencia del aire por debajo de ellaevitando a su vez que el movimiento ciclnico superior arrastre parte delcondensado. Una segunda pantalla evita que el aire proveniente del deflectorcentrfugo tome contacto directo con el elemento filtrante y lo contamine, ala vez que prolonga el movimiento ciclnico del aire dentro del vaso au-mentando la efectividad del equipo. En cuanto al elemento filtrante en s,puede tratarse de filtros de carbn activado, malla metlica o sinttica o fil-tros cermicos microporosos sinterizados, destinados estos ltimos a la eli-minacin de partculas muy finas. Las capacidades de filtrado se expresan enmicrones indicando el tamao de la mnima partcula capaz de retener y su

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